สาระสำคัญของฟิสิกส์ควอนตัม พื้นฐานของฟิสิกส์ควอนตัมในห้าการทดลองสำหรับ "หุ่น"

ฟิสิกส์เป็นศาสตร์ที่ลึกลับที่สุดในบรรดาศาสตร์ทั้งหมด ฟิสิกส์ทำให้เราเข้าใจโลกรอบตัวเรา กฎฟิสิกส์มีความสมบูรณ์และใช้ได้กับทุกคนโดยไม่มีข้อยกเว้น โดยไม่คำนึงถึงบุคคลและสถานะทางสังคม

บทความนี้มีไว้สำหรับผู้ที่มีอายุมากกว่า 18 ปี

คุณอายุเกิน 18 แล้วหรือยัง

การค้นพบขั้นพื้นฐานในฟิสิกส์ควอนตัม

ไอแซก นิวตัน, นิโคลา เทสลา, อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ และคนอื่นๆ อีกมากเป็นแนวทางที่ดีของมนุษยชาติในโลกมหัศจรรย์ของฟิสิกส์ ซึ่งเหมือนกับผู้เผยพระวจนะ ได้เปิดเผยความลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของจักรวาลแก่มนุษยชาติและความสามารถในการควบคุมปรากฏการณ์ทางกายภาพ หัวที่สดใสของพวกเขาตัดผ่านความมืดของความเขลาของคนส่วนใหญ่ที่ไร้เหตุผล และเฉกเช่นดาวนำทาง แสดงให้เห็นหนทางสู่มนุษยชาติในความมืดมิดของราตรีกาล หนึ่งในตัวนำเหล่านี้ในโลกของฟิสิกส์คือ Max Planck บิดาแห่งฟิสิกส์ควอนตัม

Max Planck ไม่ได้เป็นเพียงผู้ก่อตั้งฟิสิกส์ควอนตัมเท่านั้น แต่ยังเป็นผู้แต่งทฤษฎีควอนตัมที่มีชื่อเสียงระดับโลกอีกด้วย ทฤษฎีควอนตัมเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของฟิสิกส์ควอนตัม ทฤษฎีนี้อธิบายการเคลื่อนไหว พฤติกรรม และปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคขนาดเล็กอย่างง่ายๆ ผู้ก่อตั้งฟิสิกส์ควอนตัมยังนำผลงานทางวิทยาศาสตร์อื่น ๆ อีกมากมายมาให้เราซึ่งได้กลายเป็นรากฐานที่สำคัญของฟิสิกส์สมัยใหม่:

• ทฤษฎีการแผ่รังสีความร้อน
• ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
• การวิจัยด้านอุณหพลศาสตร์
• การวิจัยในสาขาทัศนศาสตร์

ทฤษฎีฟิสิกส์ควอนตัมเกี่ยวกับพฤติกรรมและปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคขนาดเล็กกลายเป็นพื้นฐานสำหรับฟิสิกส์ของสสารควบแน่น ฟิสิกส์อนุภาคมูลฐาน และฟิสิกส์พลังงานสูง ทฤษฎีควอนตัมอธิบายแก่เราถึงแก่นแท้ของปรากฏการณ์มากมายในโลกของเรา ตั้งแต่การทำงานของคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์ไปจนถึงโครงสร้างและพฤติกรรมของเทห์ฟากฟ้า Max Planck ผู้สร้างทฤษฎีนี้ ด้วยการค้นพบของเขาทำให้เราเข้าใจแก่นแท้ของหลายสิ่งหลายอย่างในระดับอนุภาคมูลฐาน แต่การสร้างทฤษฎีนี้อยู่ไกลจากข้อดีเพียงอย่างเดียวของนักวิทยาศาสตร์ เขาเป็นคนแรกที่ค้นพบกฎพื้นฐานของจักรวาล นั่นคือกฎแห่งการอนุรักษ์พลังงาน การมีส่วนร่วมทางวิทยาศาสตร์ของ Max Planck นั้นยากที่จะประเมินค่าสูงไป กล่าวโดยสรุป การค้นพบของเขานั้นประเมินค่าไม่ได้ในด้านฟิสิกส์ เคมี ประวัติศาสตร์ วิธีการ และปรัชญา

ทฤษฎีสนามควอนตัม

โดยสังเขป ทฤษฎีสนามควอนตัมเป็นทฤษฎีคำอธิบายของอนุภาคขนาดเล็ก เช่นเดียวกับพฤติกรรมในอวกาศ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างกัน และการเปลี่ยนแปลงร่วมกัน ทฤษฎีนี้ศึกษาพฤติกรรมของระบบควอนตัมภายในระดับอิสระที่เรียกว่า ชื่อที่สวยงามและโรแมนติกนี้ไม่ได้บอกอะไรพวกเราหลายคน สำหรับหุ่นจำลอง ระดับความเป็นอิสระคือจำนวนพิกัดอิสระที่จำเป็นในการระบุการเคลื่อนที่ของระบบกลไก พูดง่ายๆ คือ องศาอิสระเป็นลักษณะของการเคลื่อนไหว การค้นพบที่น่าสนใจในด้านปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคมูลฐานถูกสร้างขึ้นโดย Steven Weinberg เขาค้นพบกระแสที่เรียกว่าเป็นกลาง - หลักการของปฏิสัมพันธ์ระหว่างควาร์กและเลปตอนซึ่งเขาได้รับรางวัลโนเบลในปี 2522

ทฤษฎีควอนตัมของแมกซ์พลังค์

ในยุคศตวรรษที่สิบแปด นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน มักซ์ พลังค์ ได้ทำการศึกษาการแผ่รังสีความร้อนและในที่สุดก็ได้รับสูตรสำหรับการกระจายพลังงาน สมมติฐานควอนตัมที่เกิดขึ้นในระหว่างการศึกษาเหล่านี้เป็นจุดเริ่มต้นของฟิสิกส์ควอนตัมเช่นเดียวกับทฤษฎีสนามควอนตัมที่ค้นพบในปี 1900 ทฤษฎีควอนตัมของพลังค์คือในระหว่างการแผ่รังสีความร้อน พลังงานที่ผลิตได้จะถูกปล่อยออกมาและดูดซับไม่ต่อเนื่องแต่เป็นตอน ๆ แบบควอนตัม ปี 1900 ต้องขอบคุณการค้นพบนี้ของ Max Planck จึงเป็นปีเกิดของกลศาสตร์ควอนตัม นอกจากนี้ยังควรกล่าวถึงสูตรของพลังค์ โดยสรุปสาระสำคัญมีดังนี้ - ขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของอุณหภูมิร่างกายและการแผ่รังสี

ทฤษฎีควอนตัมกลศาสตร์ของโครงสร้างของอะตอม

ทฤษฎีทางกลควอนตัมของโครงสร้างของอะตอมเป็นหนึ่งในทฤษฎีพื้นฐานของแนวคิดในฟิสิกส์ควอนตัม และแน่นอนในฟิสิกส์โดยทั่วไป ทฤษฎีนี้ช่วยให้เราเข้าใจโครงสร้างของทุกสิ่งที่เป็นวัตถุและเปิดม่านของความลับเหนือสิ่งที่ประกอบด้วยจริง และข้อสรุปจากทฤษฎีนี้เป็นสิ่งที่คาดไม่ถึงมาก พิจารณาโครงสร้างของอะตอมโดยสังเขป อะตอมทำมาจากอะไร? อะตอมประกอบด้วยนิวเคลียสและเมฆอิเล็กตรอน พื้นฐานของอะตอมซึ่งเป็นนิวเคลียสของมันมีมวลเกือบทั้งหมดของอะตอมเอง - มากกว่า 99 เปอร์เซ็นต์ นิวเคลียสมีประจุเป็นบวกเสมอ และเป็นตัวกำหนดองค์ประกอบทางเคมีที่อะตอมเป็นส่วนหนึ่ง สิ่งที่น่าสนใจที่สุดเกี่ยวกับนิวเคลียสของอะตอมก็คือมันประกอบด้วยมวลเกือบทั้งหมดของอะตอม แต่ในขณะเดียวกันก็มีปริมาตรเพียงหนึ่งหมื่นเท่านั้น อะไรต่อจากนี้? และผลสรุปก็คาดไม่ถึงมาก ซึ่งหมายความว่าสสารหนาแน่นในอะตอมมีเพียงหนึ่งหมื่นเท่านั้น แล้วอย่างอื่นล่ะ? ทุกสิ่งทุกอย่างในอะตอมคือเมฆอิเล็กตรอน

เมฆอิเล็กตรอนนั้นไม่คงที่และที่จริงแล้วไม่ใช่สสารที่เป็นวัตถุ เมฆอิเล็กตรอนเป็นเพียงความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอนจะปรากฎในอะตอม นั่นคือ นิวเคลียสมีเพียงหนึ่งในหมื่นในอะตอม และทุกสิ่งทุกอย่างเป็นความว่างเปล่า และถ้าเราพิจารณาว่าวัตถุทั้งหมดรอบตัวเรา ตั้งแต่ฝุ่นละอองไปจนถึงเทห์ฟากฟ้า ดาวเคราะห์ และดวงดาว ประกอบขึ้นจากอะตอม ปรากฎว่าวัสดุทุกอย่างมีความว่างเปล่ามากกว่า 99 เปอร์เซ็นต์ ทฤษฏีนี้ดูเหลือเชื่ออย่างยิ่ง และผู้เขียนอย่างน้อยก็เป็นคนประสาทหลอน เพราะสิ่งต่าง ๆ ที่มีอยู่รอบตัวมีความคงเส้นคงวา มีน้ำหนักและสามารถสัมผัสได้ จะประกอบด้วยความว่างเปล่าได้อย่างไร? มีข้อผิดพลาดเกิดขึ้นในทฤษฎีโครงสร้างของสสารนี้หรือไม่? แต่ไม่มีข้อผิดพลาดที่นี่

วัตถุทั้งหมดปรากฏหนาแน่นเพียงเพราะปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอม สิ่งต่าง ๆ มีความคงตัวที่เป็นของแข็งและหนาแน่นเนื่องจากแรงดึงดูดหรือแรงผลักระหว่างอะตอมเท่านั้น เพื่อให้แน่ใจว่ามีความหนาแน่นและความแข็งของผลึกตาข่ายของสารเคมี ซึ่งวัสดุทุกอย่างประกอบด้วย แต่จุดที่น่าสนใจ ตัวอย่างเช่น เมื่อสภาพอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อมเปลี่ยนแปลง พันธะระหว่างอะตอม กล่าวคือ ความดึงดูดและการขับไล่ของพวกมัน สามารถอ่อนตัวลงได้ ซึ่งทำให้ผลึกขัดแตะอ่อนตัวลงและกระทั่งถึงขั้นการทำลายล้าง อธิบายการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพของสารเมื่อถูกความร้อน ตัวอย่างเช่น เมื่อเหล็กถูกความร้อน เหล็กจะกลายเป็นของเหลวและสามารถขึ้นรูปเป็นรูปทรงใดก็ได้ และเมื่อน้ำแข็งละลาย การสลายตัวของผลึกขัดแตะจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงสถานะของสสาร และเปลี่ยนจากของแข็งเป็นของเหลว เหล่านี้เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนของการอ่อนตัวของพันธะระหว่างอะตอม และเป็นผลให้อ่อนตัวลงหรือถูกทำลายของโครงผลึกคริสตัล และปล่อยให้สารกลายเป็นอสัณฐาน และสาเหตุของการเปลี่ยนแปลงอย่างลึกลับเช่นนี้ก็เพราะว่าสสารประกอบด้วยสสารหนาแน่นเพียงหนึ่งหมื่นเท่านั้น และสิ่งอื่นที่เหลือล้วนแต่เป็นความว่างเปล่า

และสารต่างๆ ดูเหมือนจะเป็นของแข็งเพียงเพราะพันธะที่แข็งแกร่งระหว่างอะตอม โดยที่ความอ่อนลงของสาร สารจะเปลี่ยนไป ดังนั้น ทฤษฎีควอนตัมของโครงสร้างของอะตอมทำให้เรามองโลกรอบตัวเราแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง

ผู้ก่อตั้งทฤษฎีอะตอม Niels Bohr เสนอแนวคิดที่น่าสนใจว่าอิเล็กตรอนในอะตอมไม่แผ่พลังงานออกมาอย่างต่อเนื่อง แต่เฉพาะในช่วงเวลาของการเปลี่ยนแปลงระหว่างวิถีการเคลื่อนที่ของพวกมัน ทฤษฎีของบอร์ช่วยอธิบายกระบวนการภายในอะตอมหลายอย่าง และยังทำให้เกิดความก้าวหน้าในวิทยาศาสตร์เคมี โดยอธิบายขอบเขตของตารางที่สร้างโดย Mendeleev ตามองค์ประกอบสุดท้ายที่สามารถดำรงอยู่ในเวลาและพื้นที่มีหมายเลขลำดับที่หนึ่งร้อยสามสิบเจ็ด และองค์ประกอบที่เริ่มต้นจากหนึ่งร้อยสามสิบแปดไม่สามารถมีอยู่ได้ เนื่องจากการมีอยู่ขององค์ประกอบนั้นขัดแย้งกับทฤษฎีสัมพัทธภาพ นอกจากนี้ ทฤษฎีของบอร์ยังอธิบายธรรมชาติของปรากฏการณ์ทางกายภาพเช่นสเปกตรัมอะตอม

เหล่านี้เป็นสเปกตรัมปฏิสัมพันธ์ของอะตอมอิสระที่เกิดขึ้นเมื่อพลังงานถูกปล่อยออกมาระหว่างกัน ปรากฏการณ์ดังกล่าวเป็นเรื่องปกติของก๊าซ ไอระเหย และสารในสถานะพลาสมา ดังนั้น ทฤษฎีควอนตัมจึงทำให้เกิดการปฏิวัติในโลกของฟิสิกส์ และช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถก้าวหน้าได้ไม่เพียงแค่ในสาขาวิทยาศาสตร์นี้เท่านั้น แต่ยังรวมถึงในสาขาวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องอีกมากมาย เช่น เคมี อุณหพลศาสตร์ ทัศนศาสตร์ และปรัชญา และยังช่วยให้มนุษยชาติสามารถเจาะความลับของธรรมชาติของสิ่งต่างๆได้

ยังมีอีกหลายอย่างที่มนุษย์ต้องทำในจิตสำนึกของมันเพื่อที่จะได้ตระหนักถึงธรรมชาติของอะตอม เพื่อทำความเข้าใจหลักการของพฤติกรรมและปฏิสัมพันธ์ของพวกมัน เมื่อเข้าใจอย่างนี้แล้ว เราก็จะสามารถเข้าใจธรรมชาติของโลกรอบตัวเราได้ เพราะทุกสิ่งที่อยู่รอบตัวเรา เริ่มจากอนุภาคฝุ่นและลงท้ายด้วยดวงอาทิตย์เอง และเราเอง - ทุกสิ่งประกอบด้วยอะตอมซึ่งมีลักษณะลึกลับ และอัศจรรย์และเต็มไปด้วยความลับมากมาย

สวัสดีผู้อ่านที่รัก หากคุณไม่ต้องการที่จะล้าหลังในชีวิต คุณต้องการที่จะเป็นคนที่มีความสุขและมีสุขภาพดีอย่างแท้จริง คุณควรรู้เกี่ยวกับความลับของฟิสิกส์ควอนตัมสมัยใหม่ อย่างน้อยก็มีความคิดเล็กน้อยว่านักวิทยาศาสตร์จักรวาลมีความลึก ขุดออกมาวันนี้ คุณไม่มีเวลาลงรายละเอียดทางวิทยาศาสตร์อย่างลึกซึ้ง แต่คุณต้องการเข้าใจเฉพาะสาระสำคัญ แต่เพื่อดูความงามของโลกที่ไม่รู้จักจากนั้นบทความนี้: ฟิสิกส์ควอนตัมสำหรับหุ่นธรรมดาหรืออาจกล่าวได้ว่าสำหรับแม่บ้านเป็นเพียง สำหรับคุณ. ฉันจะพยายามอธิบายว่าควอนตัมฟิสิกส์คืออะไร แต่พูดง่ายๆ เพื่อแสดงให้ชัดเจน

"อะไรคือความเชื่อมโยงระหว่างความสุข สุขภาพ และฟิสิกส์ควอนตัม" คุณถาม

ความจริงก็คือมันช่วยตอบคำถามที่เข้าใจยากมากมายเกี่ยวกับจิตสำนึกของมนุษย์อิทธิพลของจิตสำนึกที่มีต่อร่างกาย น่าเสียดายที่ยาที่ต้องอาศัยฟิสิกส์คลาสสิกไม่ได้ช่วยให้เรามีสุขภาพที่ดีเสมอไป และจิตวิทยาก็ไม่สามารถบอกคุณได้ว่าจะพบความสุขได้อย่างไร

ความรู้ที่ลึกซึ้งของโลกเท่านั้นจะช่วยให้เราเข้าใจวิธีรับมือกับความเจ็บป่วยอย่างแท้จริงและความสุขอยู่ที่ไหน ความรู้นี้พบได้ในชั้นลึกของจักรวาล ฟิสิกส์ควอนตัมเข้ามาช่วยชีวิต ในไม่ช้าคุณจะรู้ทุกอย่าง

ควอนตัมฟิสิกส์เรียนอะไรในคำง่ายๆ

ใช่ ฟิสิกส์ควอนตัมเข้าใจยากมากเพราะมันศึกษากฎของไมโครเวิร์ล นั่นคือโลกอยู่ในชั้นที่ลึกกว่าในระยะทางที่น้อยมากซึ่งเป็นเรื่องยากมากสำหรับคนที่จะมอง

และปรากฎว่าโลกมีพฤติกรรมแปลก ๆ ลึกลับและเข้าใจยาก ไม่ใช่อย่างที่เราคุ้นเคย

ดังนั้นความซับซ้อนและความเข้าใจผิดทั้งหมดของฟิสิกส์ควอนตัม

แต่หลังจากอ่านบทความนี้ คุณจะขยายขอบเขตความรู้ของคุณและมองโลกในมุมมองที่ต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง

สั้น ๆ เกี่ยวกับประวัติของฟิสิกส์ควอนตัม

ทุกอย่างเริ่มต้นเมื่อต้นศตวรรษที่ 20 เมื่อฟิสิกส์ของนิวตันไม่สามารถอธิบายหลายสิ่งหลายอย่างและนักวิทยาศาสตร์ก็ถึงจุดจบ จากนั้น Max Planck ได้แนะนำแนวคิดของควอนตัม อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์หยิบแนวคิดนี้ขึ้นมาและพิสูจน์ว่าแสงไม่ได้แพร่กระจายอย่างต่อเนื่อง แต่เป็นส่วน - ควอนตา (โฟตอน) ก่อนหน้านั้นเชื่อกันว่าแสงมีลักษณะเป็นคลื่น

แต่เมื่อมันปรากฏออกมาในภายหลัง อนุภาคมูลฐานใดๆ ไม่ได้เป็นเพียงควอนตัม นั่นคือ อนุภาคของแข็ง แต่ยังเป็นคลื่นด้วย นี่คือลักษณะที่ความเป็นคู่ของคลื่น corpuscular-wave ปรากฏในฟิสิกส์ควอนตัมความขัดแย้งครั้งแรกและจุดเริ่มต้นของการค้นพบปรากฏการณ์ลึกลับของไมโครเวิร์ล

ความขัดแย้งที่น่าสนใจที่สุดเริ่มต้นขึ้นเมื่อมีการทดลอง double-slit ที่มีชื่อเสียง หลังจากนั้นความลึกลับก็เพิ่มมากขึ้น เราสามารถพูดได้ว่าควอนตัมฟิสิกส์เริ่มต้นกับเขา ลองมาดูที่มัน

การทดลองกรีดสองครั้งในฟิสิกส์ควอนตัม

ลองนึกภาพจานที่มีสองช่องในรูปแบบของแถบแนวตั้ง เราจะติดมุ้งลวดไว้ด้านหลังจานนี้ หากเราส่องไฟไปที่จาน เราจะเห็นรูปแบบการรบกวนบนหน้าจอ นั่นคือการสลับแถบแนวตั้งสีเข้มและสว่าง การรบกวนเป็นผลมาจากพฤติกรรมคลื่นของบางสิ่งในกรณีของเรา

หากคุณส่งคลื่นน้ำผ่านรูสองรูที่อยู่เคียงข้างกัน คุณจะเข้าใจว่าการรบกวนคืออะไร นั่นคือแสงที่ออกมาเป็นเหมือนธรรมชาติของคลื่น แต่ตามที่ฟิสิกส์ หรือมากกว่าไอน์สไตน์ ได้พิสูจน์แล้ว มันถูกแพร่กระจายโดยอนุภาคโฟตอน เป็นบุคคลที่ผิดธรรมดาอยู่แล้ว แต่ไม่เป็นไร dualism ของ corpuscular-wave จะไม่ทำให้เราประหลาดใจอีกต่อไป ฟิสิกส์ควอนตัมบอกเราว่าแสงมีพฤติกรรมเหมือนคลื่นแต่ประกอบด้วยโฟตอน แต่ปาฏิหาริย์เพิ่งเริ่มต้น

มาวางปืนไว้หน้าจานที่มีสองช่องซึ่งจะไม่ปล่อยแสง แต่เป็นอิเล็กตรอน มาเริ่มยิงอิเล็กตรอนกัน เราจะเห็นอะไรบนหน้าจอหลังจาน?

ท้ายที่สุด อิเล็กตรอนก็คืออนุภาค ซึ่งหมายความว่าการไหลของอิเล็กตรอนที่ผ่านสองช่อง ควรจะเหลือเพียงสองแถบบนหน้าจอ สองร่องรอยตรงข้ามกับรอยแยก คุณเคยจินตนาการถึงก้อนกรวดที่บินผ่านสองช่องแล้วชนกับหน้าจอหรือไม่?

แต่สิ่งที่เราเห็นจริงๆ? รูปแบบการรบกวนเดียวกันทั้งหมด ข้อสรุปคืออะไร: อิเล็กตรอนแพร่กระจายเป็นคลื่น อิเล็กตรอนจึงเป็นคลื่น แต่มันเป็นอนุภาคมูลฐาน อีกครั้ง corpuscular-wave dualism ในวิชาฟิสิกส์

แต่เราสามารถสรุปได้ว่าในระดับที่ลึกกว่านั้น อิเล็กตรอนเป็นอนุภาค และเมื่ออนุภาคเหล่านี้มารวมกัน พวกมันจะเริ่มทำตัวเหมือนคลื่น ตัวอย่างเช่น คลื่นทะเลเป็นคลื่น แต่ประกอบด้วยหยดน้ำ และในระดับที่เล็กกว่า โมเลกุล และอะตอม โอเค ตรรกะมั่นคง

จากนั้นให้ยิงจากปืนไม่ใช่ด้วยกระแสอิเล็กตรอน แต่ให้ปล่อยอิเล็กตรอนแยกกันหลังจากช่วงระยะเวลาหนึ่ง ราวกับว่าเรากำลังเดินผ่านรอยแตกไม่ใช่คลื่นทะเล แต่ถุยน้ำลายทีละหยดจากปืนฉีดน้ำของเด็ก

ค่อนข้างสมเหตุสมผลที่ในกรณีนี้ หยดน้ำต่างๆ จะตกลงไปในช่องต่างๆ บนหน้าจอด้านหลังเพลท เรามองไม่เห็นรูปแบบการรบกวนจากคลื่น แต่มีขอบกระแทกที่แตกต่างกันสองด้านตรงข้ามกับรอยแยกแต่ละอัน เราจะเห็นสิ่งเดียวกัน ถ้าเราขว้างก้อนหินก้อนเล็กๆ พวกมันบินผ่านรอยร้าวสองรอย จะทิ้งร่องรอยไว้ เหมือนเงาจากสองรู ตอนนี้เรามายิงอิเล็กตรอนทีละตัวเพื่อดูแถบสองแถบนี้บนหน้าจอจากการชนของอิเล็กตรอนกัน พวกเขาปล่อยหนึ่ง รอ สอง รอ และอื่น ๆ นักฟิสิกส์ควอนตัมสามารถทำการทดลองดังกล่าวได้

แต่สยองขวัญ แทนที่จะเป็นขอบทั้งสองนี้ จะได้รับสัญญาณรบกวนแบบเดียวกันของหลายขอบ ได้อย่างไร? สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้หากอิเล็กตรอนบินผ่านช่องผ่าสองช่องพร้อมกัน แต่หลังแผ่นเปลือกโลก เหมือนกับคลื่น มันชนกับตัวมันเองและไปรบกวน แต่สิ่งนี้ไม่สามารถเป็นได้เพราะอนุภาคไม่สามารถอยู่ในสองที่พร้อมกันได้ มันบินผ่านช่องแรกหรือช่องที่สอง

นี่คือจุดเริ่มต้นของสิ่งมหัศจรรย์อย่างแท้จริงของฟิสิกส์ควอนตัม

การทับซ้อนในฟิสิกส์ควอนตัม

ด้วยการวิเคราะห์ที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น นักวิทยาศาสตร์พบว่าอนุภาคควอนตัมมูลฐานใดๆ หรือแสง (โฟตอน) เดียวกันสามารถอยู่ได้หลายที่พร้อมกัน และนี่ไม่ใช่ปาฏิหาริย์ แต่เป็นข้อเท็จจริงที่แท้จริงของพิภพเล็ก นี่คือสิ่งที่ควอนตัมฟิสิกส์พูด นั่นคือเหตุผลที่เมื่อยิงอนุภาคแยกจากปืนใหญ่ เราเห็นผลของการรบกวน ด้านหลังจานอิเล็กตรอนชนกันเองและสร้างรูปแบบการรบกวน

วัตถุธรรมดาของมหภาคมักอยู่ในที่เดียวมีสถานะเดียว ตัวอย่างเช่น ตอนนี้คุณกำลังนั่งบนเก้าอี้ ชั่งน้ำหนัก พูด 50 กก. มีอัตราชีพจร 60 ครั้งต่อนาที แน่นอนว่าสิ่งบ่งชี้เหล่านี้จะเปลี่ยนไป แต่จะเปลี่ยนไปหลังจากผ่านไประยะหนึ่ง เพราะคุณไม่สามารถอยู่ที่บ้านและที่ทำงานพร้อมกันได้ น้ำหนัก 50 และ 100 กก. ทั้งหมดนี้เป็นสิ่งที่เข้าใจได้นี่คือสามัญสำนึก

ในฟิสิกส์ของพิภพเล็ก ๆ ทุกอย่างแตกต่างกัน

กลศาสตร์ควอนตัมอ้างว่า และสิ่งนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลองแล้วว่าอนุภาคมูลฐานใดๆ สามารถอยู่พร้อม ๆ กัน ไม่เพียงแต่ในหลายจุดในอวกาศเท่านั้น แต่ยังมีหลายสถานะในเวลาเดียวกัน เช่น สปิน

ทั้งหมดนี้ไม่เข้ากับหัว บ่อนทำลายความคิดปกติของโลก กฎฟิสิกส์แบบเก่า เปลี่ยนความคิด ใครๆ ก็พูดได้อย่างปลอดภัยว่ามันทำให้คุณคลั่งไคล้

นี่คือเหตุผลที่เราเข้าใจคำว่า "การซ้อนทับ" ในกลศาสตร์ควอนตัม

การทับซ้อนหมายความว่าวัตถุของพิภพเล็กสามารถอยู่ในจุดต่าง ๆ ของอวกาศพร้อมกันและมีหลายสถานะในเวลาเดียวกัน และนี่เป็นเรื่องปกติสำหรับอนุภาคมูลฐาน นั่นคือกฎของไมโครเวิร์ล ไม่ว่ามันจะดูแปลกและน่าอัศจรรย์เพียงใด

คุณประหลาดใจ แต่นี่เป็นเพียงดอกไม้ ปาฏิหาริย์ที่อธิบายไม่ถูกที่สุด ความลึกลับ และความขัดแย้งของฟิสิกส์ควอนตัมยังมาไม่ถึง

ฟังก์ชั่นคลื่นยุบในฟิสิกส์ในแง่ง่าย

จากนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงตัดสินใจค้นหาและดูว่าอิเล็กตรอนผ่านช่องผ่าทั้งสองจริงหรือไม่ ทันใดนั้นมันก็ทะลุผ่านช่องเดียวแล้วแยกออกและสร้างรูปแบบการรบกวนในขณะที่มันผ่านไป ดีคุณไม่เคยรู้ นั่นคือ คุณต้องวางอุปกรณ์ไว้ใกล้กับร่อง ซึ่งจะบันทึกเส้นทางของอิเล็กตรอนผ่านช่องนั้นได้อย่างแม่นยำ ไม่ช้าก็เร็วพูดเสร็จ แน่นอนว่ามันใช้งานได้ยาก คุณไม่จำเป็นต้องมีอุปกรณ์ แต่มีอย่างอื่นเพื่อดูการผ่านของอิเล็กตรอน แต่นักวิทยาศาสตร์ได้ทำมัน

แต่สุดท้ายผลลัพธ์ก็ทำให้ทุกคนตะลึง

ทันทีที่เราเริ่มมองหาช่องที่อิเล็กตรอนผ่านเข้าไป มันเริ่มทำตัวไม่เหมือนคลื่น ไม่เหมือนกับสารแปลก ๆ ที่ตั้งอยู่ในจุดต่าง ๆ ในอวกาศในเวลาเดียวกัน แต่เหมือนอนุภาคธรรมดา นั่นคือมันเริ่มแสดงคุณสมบัติเฉพาะของควอนตัม: ตั้งอยู่ในที่เดียวผ่านหนึ่งช่องมีค่าการหมุนหนึ่งค่า สิ่งที่ปรากฏบนหน้าจอไม่ใช่รูปแบบการรบกวน แต่เป็นรอยที่เรียบง่ายตรงข้ามกับรอยกรีด

แต่มันจะเป็นไปได้อย่างไร ราวกับว่าอิเล็กตรอนกำลังเล่นตลกกับเรา ในตอนแรก มันทำตัวเหมือนคลื่น และหลังจากที่เราตัดสินใจที่จะดูเส้นทางของมันผ่านช่องผ่า มันแสดงคุณสมบัติของอนุภาคของแข็งและผ่านช่องเดียว แต่นั่นเป็นวิธีที่อยู่ในพิภพเล็ก นี่คือกฎของฟิสิกส์ควอนตัม

นักวิทยาศาสตร์ได้เห็นคุณสมบัติลึกลับอีกอย่างของอนุภาคมูลฐาน นี่คือลักษณะที่แนวคิดของความไม่แน่นอนและการล่มสลายของฟังก์ชันคลื่นปรากฏในฟิสิกส์ควอนตัม

เมื่ออิเล็กตรอนบินเข้าหาช่องว่าง อิเล็กตรอนจะอยู่ในสถานะไม่แน่นอนหรืออยู่ในสถานะซ้อนทับดังที่เราได้กล่าวไว้ข้างต้น นั่นคือมันทำตัวเหมือนคลื่นมันตั้งอยู่พร้อมกันที่จุดต่าง ๆ ในอวกาศมันมีค่าการหมุนสองค่า (การหมุนมีเพียงสองค่า) ถ้าเราไม่จับ ไม่ลองดู ไม่รู้ว่ามันอยู่ตรงไหน ถ้าเราไม่วัดค่าการหมุนของมัน มันจะบินเหมือนคลื่นผ่านสองช่อง ในเวลาเดียวกันซึ่งหมายความว่าจะสร้างรูปแบบการรบกวน ฟิสิกส์ควอนตัมอธิบายวิถีและพารามิเตอร์โดยใช้ฟังก์ชันคลื่น

หลังจากที่เราทำการวัดแล้ว (และเป็นไปได้ที่จะวัดอนุภาคของไมโครเวิร์ลโดยการโต้ตอบกับอนุภาคเท่านั้น ตัวอย่างเช่น โดยการชนกับอนุภาคอื่น) จากนั้นฟังก์ชันคลื่นจะยุบลง

นั่นคือตอนนี้อิเล็กตรอนอยู่ในที่เดียวในอวกาศโดยมีค่าสปินหนึ่งค่า

อาจกล่าวได้ว่าอนุภาคมูลฐานเป็นเหมือนผี ดูเหมือนว่าจะมีอยู่จริง แต่ในขณะเดียวกัน อนุภาคก็ไม่อยู่ในที่เดียว และด้วยความน่าจะเป็นที่แน่นอนก็สามารถอยู่ที่ใดก็ได้ภายในคำอธิบายของฟังก์ชันคลื่น แต่ทันทีที่เราเริ่มสัมผัสมัน มันเปลี่ยนจากวัตถุผีเป็นวัตถุที่จับต้องได้จริง ซึ่งทำตัวเหมือนวัตถุธรรมดาของโลกคลาสสิกที่เราคุ้นเคย

"นี่เป็นเรื่องมหัศจรรย์" คุณพูด แน่นอน แต่ความมหัศจรรย์ของฟิสิกส์ควอนตัมเพิ่งเริ่มต้น ที่น่าเหลือเชื่อที่สุดยังมาไม่ถึง แต่ขอหยุดพักจากข้อมูลที่มีอยู่มากมายและกลับไปสู่การผจญภัยควอนตัมอีกครั้งในบทความอื่น ในระหว่างนี้ ให้ไตร่ตรองสิ่งที่คุณได้เรียนรู้ในวันนี้ ปาฏิหาริย์ดังกล่าวนำไปสู่อะไร? ท้ายที่สุด พวกมันล้อมรอบเรา นี่เป็นสมบัติของโลกของเรา แม้ว่าจะอยู่ในระดับที่ลึกกว่า เรายังคิดว่าเราอยู่ในโลกที่น่าเบื่อหรือไม่? แต่เราจะสรุปในภายหลัง

ฉันพยายามพูดถึงพื้นฐานของฟิสิกส์ควอนตัมอย่างสั้นและชัดเจน

แต่ถ้าคุณไม่เข้าใจอะไรบางอย่าง ให้ดูการ์ตูนเรื่องนี้เกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัม เกี่ยวกับการทดลองโดยใช้รอยแยกสองช่อง ทุกสิ่งยังได้รับการบอกกล่าวด้วยภาษาที่เข้าใจง่ายและเข้าใจง่าย

การ์ตูนเกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัม:

หรือคุณสามารถดูวิดีโอนี้ ทุกอย่างจะเข้าที่ ฟิสิกส์ควอนตัมน่าสนใจมาก

วิดีโอเกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัม:

ก่อนหน้านี้คุณไม่รู้เรื่องนี้ได้อย่างไร?

การค้นพบสมัยใหม่ในฟิสิกส์ควอนตัมกำลังเปลี่ยนแปลงโลกวัตถุที่เราคุ้นเคย

ยินดีต้อนรับสู่บล็อก! ฉันดีใจกับคุณมาก!

แน่นอนคุณเคยได้ยินมาหลายครั้งแล้ว เกี่ยวกับความลึกลับที่อธิบายไม่ได้ของฟิสิกส์ควอนตัมและกลศาสตร์ควอนตัม. กฎของมันน่าหลงใหลด้วยความลึกลับและแม้แต่นักฟิสิกส์เองก็ยอมรับว่าพวกเขาไม่เข้าใจพวกเขาอย่างเต็มที่ ในอีกด้านหนึ่ง เป็นเรื่องอยากรู้อยากเห็นที่จะเข้าใจกฎเหล่านี้ แต่ในทางกลับกัน ไม่มีเวลาอ่านหนังสือฟิสิกส์หลายเล่มและซับซ้อน ฉันเข้าใจคุณมากเพราะฉันชอบความรู้และการค้นหาความจริง แต่มีเวลาไม่เพียงพอสำหรับหนังสือทุกเล่ม คุณไม่ได้อยู่คนเดียว คนที่อยากรู้อยากเห็นจำนวนมากพิมพ์ในบรรทัดการค้นหา: "ฟิสิกส์ควอนตัมสำหรับหุ่น กลศาสตร์ควอนตัมสำหรับหุ่น ฟิสิกส์ควอนตัมสำหรับผู้เริ่มต้น กลศาสตร์ควอนตัมสำหรับผู้เริ่มต้น พื้นฐานของฟิสิกส์ควอนตัม พื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัม ฟิสิกส์ควอนตัมสำหรับเด็ก กลศาสตร์ควอนตัมคืออะไร" โพสต์นี้เพื่อคุณ.

คุณจะเข้าใจแนวคิดพื้นฐานและความขัดแย้งของฟิสิกส์ควอนตัม จากบทความคุณจะได้เรียนรู้:

• การรบกวนคืออะไร?
• การหมุนและการซ้อนทับคืออะไร?
• "การวัด" หรือ "การยุบฟังก์ชันคลื่น" คืออะไร
• ควอนตัมพัวพันคืออะไร (หรือเทเลพอร์ตควอนตัมสำหรับหุ่น)? (ดูบทความ)
• การทดลองทางความคิดของแมวชโรดิงเงอร์คืออะไร? (ดูบทความ)

ฟิสิกส์ควอนตัมและกลศาสตร์ควอนตัมคืออะไร?

กลศาสตร์ควอนตัมเป็นส่วนหนึ่งของฟิสิกส์ควอนตัม

เหตุใดจึงยากที่จะเข้าใจวิทยาศาสตร์เหล่านี้ คำตอบนั้นง่าย: ฟิสิกส์ควอนตัมและกลศาสตร์ควอนตัม (ส่วนหนึ่งของฟิสิกส์ควอนตัม) ศึกษากฎของไมโครเวิร์ล และกฎเหล่านี้แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากกฎของมหภาคของเรา ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากสำหรับเราที่จะจินตนาการว่าเกิดอะไรขึ้นกับอิเล็กตรอนและโฟตอนในพิภพเล็ก

ตัวอย่างความแตกต่างระหว่างกฎของมาโครและไมโครเวิร์ล: ในมหภาคของเรา หากคุณใส่ลูกบอลลงในกล่องใดกล่องหนึ่งจาก 2 กล่อง กล่องหนึ่งจะว่างเปล่า และอีกกล่องหนึ่ง - ลูกบอล แต่ในพิภพเล็ก ๆ (ถ้าแทนที่จะเป็นลูกบอล - อะตอม) อะตอมสามารถอยู่ในสองกล่องพร้อมกันได้ สิ่งนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลองซ้ำแล้วซ้ำเล่า มันไม่ยากที่จะใส่มันในหัวของคุณ? แต่คุณไม่สามารถโต้เถียงกับข้อเท็จจริง

อีกหนึ่งตัวอย่างคุณถ่ายภาพรถสปอร์ตสีแดงที่แข่งรถเร็ว และในภาพที่คุณเห็นแถบแนวนอนที่พร่ามัว ราวกับว่ารถในขณะถ่ายภาพนั้นมาจากหลายจุดในอวกาศ แม้ว่าคุณจะเห็นในภาพ แต่คุณก็ยังแน่ใจว่ารถอยู่ในช่วงเวลาที่คุณถ่ายภาพ ในที่แห่งเดียวในอวกาศ. ไม่เช่นนั้นในโลกไมโคร อิเล็กตรอนที่หมุนรอบนิวเคลียสของอะตอมไม่ได้หมุนรอบจริง แต่ ตั้งอยู่พร้อมกันทุกจุดของทรงกลมรอบนิวเคลียสของอะตอม ราวกับลูกขนปุยที่พันเป็นเกลียวหลวมๆ แนวคิดทางฟิสิกส์นี้เรียกว่า "คลาวด์อิเล็กทรอนิกส์" .

การพูดนอกเรื่องเล็กน้อยในประวัติศาสตร์เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์นึกถึงโลกควอนตัมเมื่อในปี 1900 นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Max Planck พยายามค้นหาสาเหตุที่โลหะเปลี่ยนสีเมื่อถูกความร้อน เขาเป็นคนแนะนำแนวคิดของควอนตัม ก่อนหน้านั้น นักวิทยาศาสตร์คิดว่าแสงเดินทางอย่างต่อเนื่อง คนแรกที่ให้ความสำคัญกับการค้นพบของพลังค์อย่างจริงจังคืออัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ที่ไม่มีใครรู้จักในขณะนั้น เขาตระหนักว่าแสงไม่ได้เป็นเพียงคลื่น บางครั้งก็ทำตัวเหมือนอนุภาค ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบของเขาว่าแสงถูกปล่อยออกมาเป็นส่วนๆ ควอนตั้ม ควอนตัมของแสงเรียกว่าโฟตอน ( โฟตอน Wikipedia) .

เพื่อให้เข้าใจกฎควอนตัมได้ง่ายขึ้น ฟิสิกส์และ กลศาสตร์ (วิกิพีเดีย)จำเป็นต้องเป็นนามธรรมจากกฎของฟิสิกส์คลาสสิกที่เราคุ้นเคยในบางแง่ในแง่หนึ่ง และลองนึกภาพว่าคุณดำดิ่งลงไปเหมือนอลิซ ลงไปในโพรงกระต่าย สู่แดนมหัศจรรย์

และนี่คือการ์ตูนสำหรับเด็กและผู้ใหญ่พูดถึงการทดลองพื้นฐานของกลศาสตร์ควอนตัมที่มีช่อง 2 ช่องและผู้สังเกตการณ์ ใช้เวลาเพียง 5 นาที ดูก่อนที่เราจะเจาะลึกคำถามพื้นฐานและแนวคิดของฟิสิกส์ควอนตัม

ฟิสิกส์ควอนตัมสำหรับวิดีโอหุ่น. ในการ์ตูน ให้สนใจ "ตา" ของผู้สังเกต กลายเป็นเรื่องลึกลับสำหรับนักฟิสิกส์ไปแล้ว

การรบกวนคืออะไร?

ในตอนต้นของการ์ตูนโดยใช้ตัวอย่างของของเหลว แสดงให้เห็นว่าคลื่นมีพฤติกรรมอย่างไร - มีแถบแนวตั้งที่มืดและสว่างสลับกันปรากฏขึ้นบนหน้าจอด้านหลังจานที่มีช่อง และในกรณีที่อนุภาคที่ไม่ต่อเนื่อง (เช่น กรวด) ถูก "ยิง" ที่จาน พวกมันจะบินผ่าน 2 ช่องและกระแทกหน้าจอตรงข้ามกับช่องโดยตรง และ "วาด" บนหน้าจอเพียง 2 แถบแนวตั้ง

การรบกวนของแสง- นี่คือพฤติกรรม "คลื่น" ของแสง เมื่อมีการแสดงแถบแนวตั้งที่สว่างและมืดสลับกันจำนวนมากบนหน้าจอ และลายทางแนวตั้งเหล่านั้น เรียกว่า รูปแบบการรบกวน.

ในจักรวาลวิทยาของเรา เรามักจะสังเกตว่าแสงมีพฤติกรรมเหมือนคลื่น หากคุณวางมือไว้ข้างหน้าเทียนแล้วบนผนังจะไม่มีเงาที่ชัดเจนจากมือ แต่มีรูปทรงพร่ามัว

ดังนั้นจึงไม่ใช่เรื่องยาก! ตอนนี้ค่อนข้างชัดเจนสำหรับเราว่าแสงมีลักษณะเป็นคลื่น และหากช่อง 2 ช่องสว่างด้วยแสง บนหน้าจอด้านหลัง เราจะเห็นรูปแบบการรบกวน พิจารณาการทดลองครั้งที่ 2 นี่คือการทดลอง Stern-Gerlach ที่มีชื่อเสียง (ซึ่งดำเนินการในช่วงทศวรรษที่ 20 ของศตวรรษที่ผ่านมา)

ในการติดตั้งที่อธิบายไว้ในการ์ตูน พวกมันไม่ได้ส่องแสงด้วยแสง แต่ "ถูกยิง" ด้วยอิเล็กตรอน (แยกเป็นอนุภาค) จากนั้นในตอนต้นของศตวรรษที่ผ่านมา นักฟิสิกส์ทั่วโลกเชื่อว่าอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐานของสสารและไม่ควรมีลักษณะเป็นคลื่น แต่มีลักษณะเหมือนกับก้อนกรวด ท้ายที่สุดอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคมูลฐานของสสารใช่ไหม? นั่นคือหากพวกเขา "โยน" ลงใน 2 ช่องเช่นก้อนกรวดจากนั้นบนหน้าจอด้านหลังช่องเราจะเห็นแถบแนวตั้ง 2 เส้น

แต่… ผลที่ได้นั้นช่างน่าทึ่ง นักวิทยาศาสตร์เห็นรูปแบบการรบกวน - มีแถบแนวตั้งจำนวนมาก นั่นคืออิเล็กตรอนเช่นแสงก็สามารถมีธรรมชาติของคลื่นได้เช่นกัน ในทางกลับกัน เป็นที่ชัดเจนว่าแสงไม่ได้เป็นเพียงคลื่นเท่านั้น แต่ยังเป็นอนุภาค - โฟตอนด้วย (จากภูมิหลังทางประวัติศาสตร์ในตอนต้นของบทความ เราได้เรียนรู้ว่าไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลสำหรับการค้นพบครั้งนี้)

คุณอาจจำได้ว่าที่โรงเรียนเราได้รับการบอกเล่าในวิชาฟิสิกส์เกี่ยวกับ "คลื่นอนุภาคคู่"? หมายความว่าเมื่อพูดถึงอนุภาคขนาดเล็กมาก (อะตอม, อิเล็กตรอน) ของไมโครเวิร์ลแล้ว เป็นทั้งคลื่นและอนุภาค

วันนี้คุณกับฉันฉลาดและเข้าใจว่าการทดลอง 2 อย่างที่อธิบายข้างต้น - การยิงด้วยอิเล็กตรอนและช่องส่องสว่างด้วยแสง - เป็นสิ่งเดียวกัน เพราะเรากำลังยิงอนุภาคควอนตัมที่รอยผ่า ตอนนี้เรารู้แล้วว่าทั้งแสงและอิเลคตรอนมีลักษณะของควอนตัม พวกมันเป็นทั้งคลื่นและอนุภาคในเวลาเดียวกัน และในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 ผลของการทดลองนี้ทำให้รู้สึกประทับใจ

ความสนใจ! ตอนนี้ มาต่อกันที่ประเด็นที่ละเอียดยิ่งขึ้นกันดีกว่า

เราส่องแสงบนรอยแยกของเราด้วยกระแสโฟตอน (อิเล็กตรอน) - และเราเห็นรูปแบบการรบกวน (แถบแนวตั้ง) ด้านหลังรอยแยกบนหน้าจอ มันเป็นที่ชัดเจน. แต่เราสนใจที่จะดูว่าอิเล็กตรอนแต่ละตัวบินผ่านร่องนี้อย่างไร

สมมุติว่าอิเล็กตรอนตัวหนึ่งบินไปทางช่องซ้ายและอีกตัวไปทางขวา แต่จากนั้นจะมีแถบแนวตั้ง 2 เส้นปรากฏขึ้นบนหน้าจอตรงข้ามกับช่อง เหตุใดจึงได้รูปแบบการรบกวน บางทีอิเล็กตรอนอาจมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันบนหน้าจอหลังจากบินผ่านรอยแยก และผลที่ได้คือรูปแบบคลื่นดังกล่าว เราจะทำตามนี้ได้อย่างไร?

เราจะไม่โยนอิเล็กตรอนในลำแสง แต่ทีละตัว ปล่อยวาง รอ วางอันต่อไป เมื่ออิเล็กตรอนบินตามลำพัง จะไม่สามารถโต้ตอบบนหน้าจอกับอิเล็กตรอนอื่นๆ ได้อีกต่อไป เราจะลงทะเบียนบนหน้าจอแต่ละอิเล็กตรอนหลังจากการโยน แน่นอนว่าหนึ่งหรือสองจะไม่ "วาดภาพ" ให้ชัดเจนสำหรับเรา แต่เมื่อพวกเราส่งพวกมันจำนวนมากเข้าไปในสล็อตทีละคนเราจะสังเกตเห็น ... โอ้น่ากลัว - พวกเขา "ดึง" รูปแบบคลื่นรบกวนอีกครั้ง!

เราเริ่มบ้าไปอย่างช้าๆ ท้ายที่สุดเราคาดว่าจะมีแถบแนวตั้ง 2 แถวตรงข้ามช่อง! ปรากฎว่าเมื่อเราโยนโฟตอนทีละครั้ง แต่ละโฟตอนก็ผ่านเหมือนที่เคยเป็น ผ่านช่อง 2 ช่องพร้อมกันและแทรกแซงตัวเอง นิยาย! เราจะกลับไปที่คำอธิบายของปรากฏการณ์นี้ในหัวข้อถัดไป

การหมุนและการซ้อนทับคืออะไร?

ตอนนี้เรารู้แล้วว่าการรบกวนคืออะไร นี่คือพฤติกรรมคลื่นของอนุภาคขนาดเล็ก - โฟตอน อิเล็กตรอน อนุภาคขนาดเล็กอื่นๆ (ต่อจากนี้ไปเราจะเรียกพวกมันว่าโฟตอนเพื่อความเรียบง่าย)

จากผลการทดลอง เมื่อเราโยนโฟตอน 1 โฟตอนออกเป็น 2 ส่วน เราตระหนักว่ามันบินราวกับว่าผ่านสองช่องพร้อมกัน จะอธิบายรูปแบบการรบกวนบนหน้าจอได้อย่างไร?

แต่จะจินตนาการถึงภาพที่โฟตอนบินผ่านรอยผ่าสองช่องพร้อมกันได้อย่างไร มี 2 ​​ตัวเลือก

• ตัวเลือกที่ 1:โฟตอนเหมือนคลื่น (เหมือนน้ำ) "ลอย" ทะลุ 2 ช่องพร้อมกัน
• ตัวเลือกที่ 2:โฟตอนเหมือนอนุภาคบินพร้อมกัน 2 เส้นทาง (ไม่ใช่สองวิถี แต่พร้อมกัน)

โดยหลักการแล้ว ข้อความเหล่านี้เทียบเท่ากัน เรามาถึง "อินทิกรัลเส้นทาง" แล้ว นี่คือสูตรของกลศาสตร์ควอนตัมของ Richard Feynman

โดยวิธีการที่ Richard Feynmanเป็นของสำนวนที่รู้จักกันดีว่า เราพูดได้อย่างมั่นใจว่าไม่มีใครเข้าใจกลศาสตร์ควอนตัม

แต่การแสดงออกถึงผลงานของเขาเมื่อต้นศตวรรษนี้ แต่ตอนนี้เราฉลาดแล้ว และเรารู้ว่าโฟตอนสามารถทำงานได้ทั้งแบบอนุภาคและแบบคลื่น ว่าเขาสามารถบินผ่าน 2 ช่องพร้อมกันในแบบที่เราไม่สามารถเข้าใจได้ ดังนั้น มันจะง่ายสำหรับเราที่จะเข้าใจข้อความสำคัญต่อไปนี้ของกลศาสตร์ควอนตัม:

กลศาสตร์ควอนตัมบอกเราว่าพฤติกรรมโฟตอนนี้เป็นกฎ ไม่ใช่ข้อยกเว้น ตามกฎแล้วอนุภาคควอนตัมอยู่ในหลายสถานะหรือหลายจุดในอวกาศพร้อมกัน

ออบเจ็กต์ของมาโครเวิร์ลสามารถอยู่ในที่เดียวเท่านั้นและอยู่ในสถานะเฉพาะอย่างใดอย่างหนึ่งเท่านั้น แต่อนุภาคควอนตัมมีอยู่ตามกฎหมายของมันเอง และเธอไม่สนใจว่าเราไม่เข้าใจพวกเขา นี่คือประเด็น

เรายังคงยอมรับเพียงสัจธรรมที่ว่า "การซ้อน" ของวัตถุควอนตัมหมายความว่ามันสามารถอยู่บน 2 หรือมากกว่าวิถีโคจรในเวลาเดียวกันที่ 2 จุดหรือมากกว่าในเวลาเดียวกัน

เช่นเดียวกับพารามิเตอร์โฟตอนอื่น - สปิน (โมเมนตัมเชิงมุมของตัวเอง) สปินเป็นเวกเตอร์ วัตถุควอนตัมสามารถคิดได้ว่าเป็นแม่เหล็กขนาดเล็ก เราเคยชินกับความจริงที่ว่าเวกเตอร์แม่เหล็ก (สปิน) นั้นพุ่งขึ้นหรือลง แต่อิเล็กตรอนหรือโฟตอนบอกเราอีกครั้งว่า: “พวกเราไม่สนใจสิ่งที่คุณคุ้นเคย เราสามารถอยู่ในสถานะการหมุนทั้งสองพร้อมกัน (เวกเตอร์ขึ้น, เวกเตอร์ลง) เหมือนกับที่เราอยู่บน 2 วิถีที่ เวลาเดียวกันหรือ 2 จุดพร้อมกัน!

"การวัด" หรือ "การยุบฟังก์ชันคลื่น" คืออะไร

มันยังคงอยู่สำหรับเราเพียงเล็กน้อย - เพื่อทำความเข้าใจว่า "การวัด" คืออะไรและอะไรคือ "การยุบตัวของฟังก์ชันคลื่น"

ฟังก์ชันคลื่นเป็นคำอธิบายสถานะของวัตถุควอนตัม (โฟตอนหรืออิเล็กตรอนของเรา)

สมมุติว่าเรามีอิเล็กตรอน มันบินเข้าหาตัวเอง ในสภาวะที่ไม่แน่นอน การหมุนของมันจะพุ่งขึ้นและลงพร้อมกัน. เราจำเป็นต้องวัดสภาพของเขา

มาวัดกันโดยใช้สนามแม่เหล็กกันเถอะ: อิเล็กตรอนที่หมุนไปในทิศทางของสนามจะเบี่ยงเบนไปในทิศทางเดียว และอิเล็กตรอนที่หมุนไปชนกับสนามจะเบี่ยงเบนไปในทิศทางอื่น โฟตอนสามารถส่งไปยังฟิลเตอร์โพลาไรซ์ได้ ถ้าการหมุน (โพลาไรซ์) ของโฟตอนเป็น +1 โฟตอนจะผ่านตัวกรอง และถ้าเป็น -1 ก็จะไม่ผ่าน

หยุด! นี่คือที่ที่คำถามเกิดขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้:ก่อนการวัด อิเล็กตรอนไม่มีทิศทางการหมุนเฉพาะ ใช่ไหม? เขาอยู่ในทุกรัฐในเวลาเดียวกันหรือไม่?

นี่คือกลอุบายและความรู้สึกของกลศาสตร์ควอนตัม. ตราบใดที่คุณไม่ได้วัดสถานะของวัตถุควอนตัม มันสามารถหมุนไปในทิศทางใดก็ได้ (มีทิศทางของเวกเตอร์โมเมนตัมเชิงมุมของตัวเอง - สปิน) แต่ในขณะที่คุณวัดสถานะของมัน ดูเหมือนว่ากำลังตัดสินใจว่าจะใช้เวกเตอร์การหมุนตัวใด

วัตถุควอนตัมนี้เจ๋งมาก - มันตัดสินใจเกี่ยวกับสถานะของมันและเราไม่สามารถคาดเดาล่วงหน้าได้ว่าจะตัดสินใจอย่างไรเมื่อบินเข้าไปในสนามแม่เหล็กที่เราวัด ความน่าจะเป็นที่เขาจะตัดสินใจให้เวกเตอร์สปิน "ขึ้น" หรือ "ลง" คือ 50 ถึง 50% แต่ทันทีที่เขาตัดสินใจ เขาอยู่ในสถานะหนึ่งโดยมีทิศทางการหมุนเฉพาะ เหตุผลในการตัดสินใจของเขาคือ "มิติ" ของเรา!

นี้เรียกว่า " ฟังก์ชั่นคลื่นยุบ". ฟังก์ชันคลื่นก่อนการวัดไม่มีกำหนด กล่าวคือ เวกเตอร์การหมุนของอิเล็กตรอนพร้อมกันในทุกทิศทาง หลังจากการวัด อิเล็กตรอนกำหนดทิศทางที่แน่นอนของเวกเตอร์การหมุนของมัน

ความสนใจ! การเชื่อมโยงตัวอย่างที่ดีเยี่ยมจากมหภาคเพื่อความเข้าใจ:

หมุนเหรียญบนโต๊ะเหมือนด้านบน ในขณะที่เหรียญกำลังหมุน ก็ไม่มีความหมายเฉพาะ - หัวหรือก้อย แต่ทันทีที่คุณตัดสินใจที่จะ "วัด" ค่านี้และกระแทกเหรียญด้วยมือของคุณ นี่คือจุดที่คุณจะได้รับสถานะเฉพาะของเหรียญ - หัวหรือก้อย ลองนึกภาพว่าเหรียญนี้ตัดสินว่า "แสดง" คุณค่าใด - หัวหรือก้อย อิเล็กตรอนมีพฤติกรรมใกล้เคียงกัน

ตอนนี้จำการทดลองที่แสดงไว้ท้ายการ์ตูน เมื่อโฟตอนผ่านเข้าไปในรอยแยก พวกมันจะมีพฤติกรรมเหมือนคลื่นและแสดงรูปแบบการรบกวนบนหน้าจอ และเมื่อนักวิทยาศาสตร์ต้องการแก้ไข (วัด) ช่วงเวลาที่โฟตอนผ่านร่องและวาง "ผู้สังเกตการณ์" ไว้ด้านหลังหน้าจอ โฟตอนก็เริ่มทำตัวไม่เหมือนคลื่น แต่เหมือนอนุภาค และ “วาด” 2 แถบแนวตั้งบนหน้าจอ เหล่านั้น. ในช่วงเวลาของการวัดหรือการสังเกต วัตถุควอนตัมเองก็เลือกว่าควรอยู่ในสถานะใด

นิยาย! มันไม่ได้เป็น?

แต่นั่นไม่ใช่ทั้งหมด ในที่สุดพวกเรา ได้ที่น่าสนใจที่สุด

แต่ ... สำหรับฉันดูเหมือนว่าจะมีข้อมูลมากเกินไป ดังนั้นเราจะพิจารณา 2 แนวคิดนี้ในโพสต์แยกกัน:

• อะไร ?
• การทดลองทางความคิดคืออะไร

และตอนนี้ คุณต้องการข้อมูลที่จะวางบนชั้นวางหรือไม่? ดูสารคดีที่ผลิตโดยสถาบันฟิสิกส์ทฤษฎีแห่งแคนาดา ภายใน 20 นาที มันจะบอกคุณสั้น ๆ และเรียงตามลำดับเวลาเกี่ยวกับการค้นพบฟิสิกส์ควอนตัมทั้งหมด โดยเริ่มจากการค้นพบพลังค์ในปี 1900 จากนั้นพวกเขาจะบอกคุณว่าการพัฒนาเชิงปฏิบัติใดที่กำลังดำเนินการอยู่บนพื้นฐานของความรู้เกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัม: จากนาฬิกาอะตอมที่แม่นยำที่สุดไปจนถึงการคำนวณคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่รวดเร็วเป็นพิเศษ ฉันขอแนะนำให้ดูหนังเรื่องนี้

แล้วพบกันใหม่!

ฉันขอให้คุณเป็นแรงบันดาลใจให้กับแผนและโครงการทั้งหมดของคุณ!

ป.ล. 2 เขียนคำถามและความคิดของคุณในความคิดเห็น เขียน คำถามอื่นๆ เกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัมที่คุณสนใจมีอะไรบ้าง

ป.ล.3 สมัครสมาชิกบล็อก - แบบฟอร์มสมัครสมาชิกใต้บทความ

จากภาษากรีก "fusis" คำว่า "ฟิสิกส์" มา มันหมายถึง "ธรรมชาติ" อริสโตเติลซึ่งอาศัยอยู่ในศตวรรษที่สี่ก่อนคริสต์ศักราชได้แนะนำแนวคิดนี้เป็นครั้งแรก

ฟิสิกส์กลายเป็น "รัสเซีย" ตามคำแนะนำของ M.V. Lomonosov เมื่อเขาแปลตำราเรียนเล่มแรกจากภาษาเยอรมัน

ฟิสิกส์วิทยาศาสตร์

ฟิสิกส์เป็นหนึ่งในหลัก ๆ กระบวนการต่าง ๆ การเปลี่ยนแปลงกล่าวคือปรากฏการณ์ต่าง ๆ เกิดขึ้นทั่วโลกอย่างต่อเนื่อง

ตัวอย่างเช่น น้ำแข็งในที่อุ่นๆ จะเริ่มละลาย และน้ำในกาต้มน้ำก็ติดไฟ กระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านลวดจะทำให้ร้อนและยังทำให้ร้อนอีกด้วย แต่ละกระบวนการเหล่านี้เป็นปรากฏการณ์ ในทางฟิสิกส์ สิ่งเหล่านี้คือการเปลี่ยนแปลงทางกล แม่เหล็ก ไฟฟ้า เสียง ความร้อนและแสงที่ศึกษาโดยวิทยาศาสตร์ พวกเขาจะเรียกว่าปรากฏการณ์ทางกายภาพ นักวิทยาศาสตร์อนุมานกฎหมายได้

งานของวิทยาศาสตร์คือการค้นหากฎเหล่านี้และศึกษากฎเหล่านี้ ธรรมชาติได้รับการศึกษาโดยวิทยาศาสตร์ เช่น ชีววิทยา ภูมิศาสตร์ เคมี และดาราศาสตร์ พวกเขาทั้งหมดใช้กฎหมายทางกายภาพ

เงื่อนไข

นอกจากคำทั่วไปในวิชาฟิสิกส์แล้ว พวกเขายังใช้คำพิเศษที่เรียกว่าคำศัพท์อีกด้วย สิ่งเหล่านี้คือ "พลังงาน" (ในทางฟิสิกส์ มันคือการวัดรูปแบบต่างๆ ของการปฏิสัมพันธ์และการเคลื่อนที่ของสสาร ตลอดจนการเปลี่ยนผ่านจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง), "แรง" (การวัดความเข้มของอิทธิพลของวัตถุและสนามอื่น ๆ บนร่างกาย) และอื่นๆ อีกมากมาย บางคนก็ค่อยๆ เข้าสู่สุนทรพจน์

ตัวอย่างเช่น การใช้คำว่า "พลังงาน" ในชีวิตประจำวันที่เกี่ยวข้องกับบุคคล เราสามารถประเมินผลที่ตามมาจากการกระทำของเขาได้ แต่พลังงานในฟิสิกส์เป็นตัววัดการศึกษาในรูปแบบต่างๆ

ร่างกายทั้งหมดในฟิสิกส์เรียกว่ากายภาพ พวกเขามีปริมาตรและรูปร่าง พวกมันประกอบด้วยสสารซึ่งในทางกลับกันก็เป็นหนึ่งในประเภทของสสาร - นี่คือทุกสิ่งที่มีอยู่ในจักรวาล

ประสบการณ์

สิ่งที่ผู้คนรู้ส่วนใหญ่มาจากการสังเกต เพื่อศึกษาปรากฏการณ์ต่างๆ

ยกตัวอย่างร่างต่างๆ ที่ล้มลงกับพื้น จำเป็นต้องค้นหาว่าปรากฏการณ์นี้แตกต่างกันหรือไม่เมื่อวัตถุมีมวลไม่เท่ากัน ความสูงต่างกัน และอื่นๆ การเฝ้ารอและเฝ้าดูร่างกายต่างๆ จะยาวนานมากและไม่ประสบความสำเร็จเสมอไป ดังนั้นจึงทำการทดลองเพื่อวัตถุประสงค์ดังกล่าว แตกต่างไปจากการสังเกต เนื่องจากมีการดำเนินการตามแผนที่กำหนดไว้ล่วงหน้าและมีเป้าหมายเฉพาะเจาะจงโดยเฉพาะ โดยปกติในแผนจะมีการคาดเดาบางอย่างล่วงหน้านั่นคือพวกเขาเสนอสมมติฐาน ดังนั้นในระหว่างการทดลอง สิ่งเหล่านี้จะถูกหักล้างหรือยืนยัน หลังจากคิดและอธิบายผลการทดลองแล้วจะมีการสรุปข้อสรุป นี่คือวิธีการรับความรู้ทางวิทยาศาสตร์

ปริมาณและหน่วยของพวกเขา

บ่อยครั้งที่การศึกษาใด ๆ ทำการวัดที่แตกต่างกัน เมื่อร่างกายล้ม เช่น ส่วนสูง มวล ความเร็ว และเวลาจะถูกวัด ทั้งหมดนี้คือบางสิ่งที่สามารถวัดได้

การวัดค่าหมายถึงการเปรียบเทียบกับค่าเดียวกันซึ่งถือเป็นหน่วย (ความยาวของตารางเทียบกับหน่วยความยาว - เมตรหรืออย่างอื่น) แต่ละค่าดังกล่าวมีหน่วยเป็นของตัวเอง

ทุกประเทศพยายามใช้หน่วยเครื่องแบบ ในรัสเซียเช่นเดียวกับในประเทศอื่น ๆ มีการใช้ระบบหน่วยสากล (SI) (ซึ่งหมายถึง "ระบบระหว่างประเทศ") ใช้หน่วยต่อไปนี้:

• ความยาว (ลักษณะของความยาวของเส้นในรูปตัวเลข) - เมตร;
• เวลา (การไหลของกระบวนการ สภาพของการเปลี่ยนแปลงที่เป็นไปได้) - วินาที;
• มวล (นี่คือลักษณะเฉพาะในฟิสิกส์ที่กำหนดคุณสมบัติเฉื่อยและความโน้มถ่วงของสสาร) - กิโลกรัม

มักจำเป็นต้องใช้หน่วยที่ใหญ่กว่าตัวคูณแบบเดิมมาก พวกเขาถูกเรียกด้วยคำนำหน้าที่เกี่ยวข้องจากภาษากรีก: "deka", "hekto", "kilo" และอื่น ๆ

หน่วยที่เล็กกว่าหน่วยที่ยอมรับเรียกว่าตัวคูณย่อย คำนำหน้าจากภาษาละตินใช้กับพวกเขา: "deci", "santi", "milli" และอื่น ๆ

เครื่องมือวัด

คุณต้องมีอุปกรณ์เพื่อทำการทดลอง ที่ง่ายที่สุดคือไม้บรรทัด, ทรงกระบอก, ตลับเมตรและอื่น ๆ ด้วยการพัฒนาทางวิทยาศาสตร์ อุปกรณ์ใหม่ ๆ ได้รับการปรับปรุง อุปกรณ์ที่ซับซ้อนและมีอุปกรณ์ใหม่ปรากฏขึ้น: โวลต์มิเตอร์ เทอร์โมมิเตอร์ นาฬิกาจับเวลา และอื่นๆ

โดยพื้นฐานแล้วอุปกรณ์มีมาตราส่วนนั่นคือส่วนประที่เขียนค่า ก่อนทำการวัด ให้กำหนดราคาหาร:

• ใช้สเกลสองจังหวะด้วยค่า
• ค่าที่น้อยกว่าจะถูกลบออกจากค่าที่มากกว่า และจำนวนผลลัพธ์จะถูกหารด้วยจำนวนของดิวิชั่นที่อยู่ระหว่าง

ตัวอย่างเช่น สองจังหวะที่มีค่า "ยี่สิบ" และ "สามสิบ" ระยะห่างระหว่างซึ่งแบ่งออกเป็นสิบช่องว่าง ในกรณีนี้ ค่าหารจะเท่ากับหนึ่ง

การวัดที่แม่นยำและมีข้อผิดพลาด

การวัดมีความแม่นยำมากหรือน้อย ความไม่ถูกต้องที่อนุญาตเรียกว่าขอบของข้อผิดพลาด เมื่อทำการวัด จะต้องไม่มากกว่าค่าหารของเครื่องมือวัด

ความแม่นยำขึ้นอยู่กับช่วงมาตราส่วนและการใช้เครื่องมืออย่างถูกต้อง แต่ในท้ายที่สุดในการวัดใด ๆ จะได้รับเพียงค่าโดยประมาณเท่านั้น

ฟิสิกส์เชิงทฤษฎีและทดลอง

เหล่านี้เป็นสาขาหลักของวิทยาศาสตร์ ดูเหมือนว่าพวกเขาจะอยู่ห่างไกลกันมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากคนส่วนใหญ่เป็นทั้งนักทฤษฎีหรือผู้ทดลอง อย่างไรก็ตาม พวกเขากำลังพัฒนาเคียงข้างกันอย่างต่อเนื่อง ปัญหาใด ๆ ได้รับการพิจารณาจากทั้งนักทฤษฎีและผู้ทดลอง ธุรกิจของอดีตคือการอธิบายข้อมูลและได้มาซึ่งสมมติฐาน ในขณะที่ทฤษฎีหลังทดสอบในทางปฏิบัติ ทำการทดลอง และรับข้อมูลใหม่ บางครั้งความสำเร็จเกิดจากการทดลองเท่านั้น โดยไม่มีการอธิบายทฤษฎี ในทางกลับกัน มีความเป็นไปได้ที่จะได้ผลลัพธ์ที่มีการตรวจสอบในภายหลัง

ฟิสิกส์ควอนตัม

ทิศทางนี้เกิดขึ้นเมื่อปลายปี 1900 เมื่อมีการค้นพบค่าคงที่พื้นฐานทางกายภาพใหม่ที่เรียกว่าค่าคงที่พลังค์เพื่อเป็นเกียรติแก่นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันผู้ค้นพบ Max Planck เขาแก้ปัญหาการกระจายสเปกตรัมของแสงที่ปล่อยออกมาจากวัตถุที่มีความร้อน ในขณะที่ฟิสิกส์ทั่วไปแบบคลาสสิกไม่สามารถทำได้ พลังค์สร้างสมมติฐานเกี่ยวกับพลังงานควอนตัมของออสซิลเลเตอร์ซึ่งไม่เข้ากันกับฟิสิกส์คลาสสิก ด้วยเหตุนี้นักฟิสิกส์หลายคนจึงเริ่มทบทวนแนวคิดเก่า ๆ เปลี่ยนแปลงซึ่งเป็นผลมาจากฟิสิกส์ควอนตัมที่เกิดขึ้น นี่คือมุมมองใหม่ของโลกโดยสิ้นเชิง

และสติ

ปรากฏการณ์ของจิตสำนึกของมนุษย์จากมุมมองไม่ใช่เรื่องใหม่ทั้งหมด รากฐานของมันถูกวางโดย Jung และ Pauli แต่ตอนนี้ ด้วยการก่อตัวของทิศทางใหม่ของวิทยาศาสตร์ ปรากฏการณ์นี้จึงเริ่มได้รับการพิจารณาและศึกษาในขนาดที่ใหญ่ขึ้น

โลกควอนตัมมีหลายด้านและหลายมิติ มีใบหน้าและการฉายภาพแบบคลาสสิกมากมาย

คุณสมบัติหลักสองประการภายในกรอบแนวคิดที่เสนอคือสัญชาตญาณขั้นสูง (นั่นคือการได้รับข้อมูลราวกับว่าไม่มีที่ไหนเลย) และการควบคุมความเป็นจริงตามอัตนัย ในจิตสำนึกปกติ บุคคลสามารถมองเห็นภาพเดียวของโลกและไม่สามารถพิจารณาภาพสองภาพในคราวเดียวได้ ในขณะที่ในความเป็นจริงมีจำนวนมาก ทั้งหมดนี้รวมกันเป็นโลกควอนตัมและแสงสว่าง

เป็นฟิสิกส์ควอนตัมที่สอนให้เรามองเห็นความเป็นจริงใหม่สำหรับบุคคล (แม้ว่าศาสนาตะวันออกจำนวนมากรวมถึงนักมายากลก็มีเทคนิคดังกล่าวมานานแล้ว) จำเป็นต้องเปลี่ยนจิตสำนึกของมนุษย์เท่านั้น ตอนนี้บุคคลไม่สามารถแยกออกจากโลกทั้งโลกได้ แต่คำนึงถึงผลประโยชน์ของสิ่งมีชีวิตและสิ่งมีชีวิตทั้งหมดด้วย

ทันใดนั้น เมื่อเข้าสู่สภาวะที่เขาสามารถเห็นทางเลือกอื่น ๆ ทั้งหมด เขาก็มาถึงหยั่งรู้ ซึ่งเป็นสัจธรรมที่สัมบูรณ์

หลักการของชีวิตจากมุมมองของฟิสิกส์ควอนตัมนั้นมีไว้เพื่อให้บุคคลมีส่วนทำให้เกิดระเบียบโลกที่ดีขึ้น

ฉันคิดว่ามันปลอดภัยที่จะบอกว่าไม่มีใครเข้าใจกลศาสตร์ควอนตัม

นักฟิสิกส์ Richard Feynman

ไม่มีการกล่าวเกินจริงที่จะบอกว่าการประดิษฐ์อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์เป็นการปฏิวัติ สิ่งนี้ไม่เพียงแต่เป็นความสำเร็จทางเทคโนโลยีที่น่าประทับใจเท่านั้น แต่ยังเป็นการปูทางสำหรับกิจกรรมที่จะเปลี่ยนแปลงสังคมสมัยใหม่ไปตลอดกาล อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ใช้ในอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ทุกประเภท รวมถึงคอมพิวเตอร์ อุปกรณ์วินิจฉัยและรักษาทางการแพทย์บางประเภท และอุปกรณ์โทรคมนาคมยอดนิยม

แต่เบื้องหลังการปฏิวัติทางเทคโนโลยีนี้มีมากกว่านั้น การปฏิวัติทางวิทยาศาสตร์ทั่วไป: ภาคสนาม ทฤษฎีควอนตัม. หากไม่มีการก้าวกระโดดในการทำความเข้าใจโลกธรรมชาติ การพัฒนาอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ (และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูงที่อยู่ในระหว่างการพัฒนา) จะไม่ประสบความสำเร็จ ฟิสิกส์ควอนตัมเป็นสาขาวิทยาศาสตร์ที่ซับซ้อนอย่างเหลือเชื่อ บทนี้ให้ภาพรวมโดยสังเขปเท่านั้น เมื่อนักวิทยาศาสตร์อย่าง Feynman พูดว่า "ไม่มีใครเข้าใจ [มัน]" คุณสามารถมั่นใจได้ว่านี่เป็นหัวข้อที่ยากมาก หากปราศจากความเข้าใจพื้นฐานเกี่ยวกับฟิสิกส์ควอนตัม หรืออย่างน้อยก็ความเข้าใจในการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่นำไปสู่การพัฒนา เป็นไปไม่ได้ที่จะเข้าใจว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เซมิคอนดักเตอร์ทำงานอย่างไรและเพราะเหตุใด หนังสือเรียนอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่พยายามอธิบายเซมิคอนดักเตอร์ในแง่ของ "ฟิสิกส์คลาสสิก" ซึ่งทำให้สับสนในการทำความเข้าใจมากขึ้น

พวกเราหลายคนได้เห็นไดอะแกรมแบบจำลองอะตอมที่มีลักษณะเหมือนภาพด้านล่าง

อะตอมรัทเทอร์ฟอร์ด: อิเล็กตรอนเชิงลบหมุนรอบนิวเคลียสบวกขนาดเล็ก

อนุภาคเล็ก ๆ ของสสารที่เรียกว่า โปรตอนและ นิวตรอน, ประกอบขึ้นเป็นจุดศูนย์กลางของอะตอม; อิเล็กตรอนหมุนรอบเหมือนดาวเคราะห์ดวงหนึ่ง นิวเคลียสมีประจุไฟฟ้าเป็นบวกเนื่องจากมีโปรตอน (นิวตรอนไม่มีประจุไฟฟ้า) ในขณะที่ประจุลบที่สมดุลของอะตอมจะอยู่ในอิเล็กตรอนที่โคจรอยู่ อิเล็กตรอนเชิงลบดึงดูดโปรตอนบวกเช่นดาวเคราะห์ดึงดูดดวงอาทิตย์ แต่วงโคจรมีความเสถียรเนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน เราเป็นหนี้แบบจำลองอะตอมยอดนิยมนี้จากผลงานของเออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด ผู้ซึ่งทดลองในปี 1911 ว่าประจุบวกของอะตอมนั้นกระจุกตัวอยู่ในนิวเคลียสเล็กๆ หนาแน่น และไม่กระจายไปตามเส้นผ่านศูนย์กลางตามที่นักสำรวจ เจ.เจ. ทอมสันเคยสันนิษฐานไว้ก่อนหน้านี้ .

การทดลองการกระเจิงของรัทเทอร์ฟอร์ดเกี่ยวข้องกับการทิ้งระเบิดทองคำแผ่นบางด้วยอนุภาคแอลฟาที่มีประจุบวก ดังแสดงในรูปด้านล่าง นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษารุ่นเยาว์ H. Geiger และ E. Marsden ได้ผลลัพธ์ที่คาดไม่ถึง วิถีโคจรของอนุภาคแอลฟาบางตัวเบี่ยงเบนจากมุมกว้าง อนุภาคแอลฟาบางส่วนกระจัดกระจายไปข้างหลัง ทำมุมเกือบ 180° อนุภาคส่วนใหญ่ผ่านแผ่นทองคำเปลวโดยไม่เปลี่ยนวิถี ราวกับว่าไม่มีฟอยล์เลย ความจริงที่ว่าอนุภาคแอลฟาหลายตัวมีการเบี่ยงเบนอย่างมากในวิถีของพวกมัน บ่งชี้ว่ามีนิวเคลียสที่มีประจุบวกเล็กน้อย

การกระเจิงของรัทเทอร์ฟอร์ด: ลำแสงของอนุภาคแอลฟากระจัดกระจายด้วยฟอยล์สีทองบาง ๆ

แม้ว่าแบบจำลองอะตอมของรัทเทอร์ฟอร์ดจะได้รับการสนับสนุนจากข้อมูลการทดลองได้ดีกว่าของทอมสัน แต่ก็ยังไม่สมบูรณ์แบบ มีการพยายามเพิ่มเติมเพื่อกำหนดโครงสร้างของอะตอม และความพยายามเหล่านี้ช่วยปูทางสำหรับการค้นพบที่แปลกประหลาดของฟิสิกส์ควอนตัม วันนี้ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับอะตอมนั้นซับซ้อนขึ้นเล็กน้อย แม้จะมีการปฏิวัติของฟิสิกส์ควอนตัมและมีส่วนทำให้เราเข้าใจโครงสร้างของอะตอม แต่การพรรณนาถึงระบบสุริยะของรัทเทอร์ฟอร์ดในฐานะโครงสร้างของอะตอมได้หยั่งรากลึกในจิตสำนึกของสาธารณชนถึงขนาดที่ยังคงอยู่ในด้านการศึกษา แม้ว่าจะไม่เหมาะสมก็ตาม

พิจารณาคำอธิบายสั้น ๆ ของอิเล็กตรอนในอะตอมซึ่งนำมาจากตำราอิเล็กทรอนิกส์ยอดนิยม:

อิเล็กตรอนเชิงลบที่หมุนอยู่จะถูกดึงดูดไปยังนิวเคลียสบวก ซึ่งทำให้เรามีคำถามว่าทำไมอิเล็กตรอนถึงไม่บินเข้าไปในนิวเคลียสของอะตอม คำตอบคืออิเล็กตรอนที่หมุนอยู่ยังคงอยู่ในวงโคจรที่เสถียรเนื่องจากมีแรงเท่ากัน แต่ตรงกันข้าม แรงเหวี่ยงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนพุ่งออกไปด้านนอก และแรงดึงดูดของประจุกำลังพยายามดึงอิเล็กตรอนเข้าหานิวเคลียส

ตามแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ด ผู้เขียนถือว่าอิเล็กตรอนเป็นสสารที่เป็นของแข็งซึ่งมีวงโคจรเป็นวงกลม การดึงดูดภายในของพวกมันไปยังนิวเคลียสที่มีประจุตรงข้ามนั้นสมดุลโดยการเคลื่อนที่ของพวกมัน การใช้คำว่า "แรงเหวี่ยงหนีศูนย์" นั้นไม่ถูกต้องในทางเทคนิค (แม้สำหรับดาวเคราะห์ที่โคจรอยู่) แต่สิ่งนี้สามารถให้อภัยได้ง่ายเนื่องจากการยอมรับแบบจำลองที่เป็นที่นิยม: อันที่จริงไม่มีแรงเช่น น่ารังเกียจใดๆลำตัวหมุนจากศูนย์กลางของวงโคจร ดูเหมือนว่าจะเป็นเช่นนั้นเพราะความเฉื่อยของร่างกายมีแนวโน้มที่จะทำให้มันเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง และเนื่องจากวงโคจรเป็นค่าเบี่ยงเบนคงที่ (ความเร่ง) จากการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง จึงมีปฏิกิริยาเฉื่อยคงที่ต่อแรงใดๆ ที่ดึงดูดร่างกายไปยังจุดศูนย์กลาง ของวงโคจร (ศูนย์กลาง) ไม่ว่าจะเป็นแรงโน้มถ่วง แรงดึงดูดของไฟฟ้าสถิต หรือแม้แต่ความตึงของพันธะทางกล

อย่างไรก็ตาม ปัญหาที่แท้จริงของคำอธิบายนี้ในตอนแรกคือแนวคิดที่ว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เป็นวงโคจรเป็นวงกลม ข้อเท็จจริงที่พิสูจน์แล้วว่าการเร่งประจุไฟฟ้าปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า ข้อเท็จจริงนี้เป็นที่รู้กันแม้ในสมัยของรัทเทอร์ฟอร์ด เนื่องจากการเคลื่อนที่แบบหมุนเป็นรูปแบบของความเร่ง (วัตถุที่หมุนด้วยความเร่งคงที่ การดึงวัตถุออกจากการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงปกติ) อิเล็กตรอนที่อยู่ในสถานะหมุนจะต้องปล่อยรังสีเหมือนโคลนจากล้อหมุน อิเล็กตรอนเร่งความเร็วตามเส้นทางวงกลมในตัวเร่งอนุภาคที่เรียกว่า ซินโครตรอนรู้อย่างนี้แล้วผลเรียกว่า รังสีซินโครตรอน. หากอิเล็กตรอนสูญเสียพลังงานในลักษณะนี้ ในที่สุดวงโคจรของพวกมันก็จะหยุดชะงัก และเป็นผลให้อิเล็กตรอนชนกับนิวเคลียสที่มีประจุบวก อย่างไรก็ตาม ภายในอะตอมนี้มักจะไม่เกิดขึ้น อันที่จริง "วงโคจร" ทางอิเล็กทรอนิกส์นั้นเสถียรอย่างน่าประหลาดใจในสภาวะที่หลากหลาย

นอกจากนี้ การทดลองกับอะตอมที่ "ตื่นเต้น" ได้แสดงให้เห็นว่าพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าถูกปล่อยออกมาจากอะตอมที่ความถี่ที่แน่นอนเท่านั้น อะตอมจะ "ตื่นเต้น" จากอิทธิพลภายนอก เช่น แสง ซึ่งทราบว่าดูดซับพลังงานและส่งคืนคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ความถี่ที่แน่นอน คล้ายกับส้อมเสียงที่ไม่ส่งเสียงที่ความถี่หนึ่งจนกว่าจะโดนกระแทก เมื่อแสงที่ปล่อยออกมาจากอะตอมที่ถูกกระตุ้นถูกแบ่งโดยปริซึมออกเป็นความถี่ส่วนประกอบ (สี) จะพบเส้นสีแต่ละเส้นในสเปกตรัม รูปแบบเส้นสเปกตรัมจะมีลักษณะเฉพาะสำหรับองค์ประกอบทางเคมี ปรากฏการณ์นี้มักใช้เพื่อระบุองค์ประกอบทางเคมี และแม้กระทั่งเพื่อวัดสัดส่วนของแต่ละองค์ประกอบในสารประกอบหรือส่วนผสมทางเคมี ตามระบบสุริยะของแบบจำลองอะตอมของรัทเธอร์ฟอร์ด (เทียบกับอิเล็กตรอนในฐานะชิ้นส่วนของสสารที่หมุนอย่างอิสระในวงโคจรที่มีรัศมีบางส่วน) และกฎของฟิสิกส์คลาสสิก อะตอมที่ถูกกระตุ้นจะต้องส่งกลับพลังงานในช่วงความถี่ที่เกือบจะไม่มีที่สิ้นสุด ความถี่ที่เลือก กล่าวอีกนัยหนึ่ง ถ้าแบบจำลองของรัทเทอร์ฟอร์ดถูกต้อง ก็จะไม่มีเอฟเฟกต์ "ส้อมเสียง" และสเปกตรัมสีที่ปล่อยออกมาจากอะตอมใดๆ จะปรากฏเป็นแถบสีที่ต่อเนื่องกัน แทนที่จะเป็นเส้นแยกหลายเส้น

แบบจำลองบอร์ของอะตอมไฮโดรเจน (โดยดึงวงโคจรตามมาตราส่วน) ถือว่าอิเล็กตรอนอยู่ในวงโคจรที่ไม่ต่อเนื่องเท่านั้น อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จาก n=3,4,5 หรือ 6 ถึง n=2 จะแสดงบนชุดของเส้นสเปกตรัมของ Balmer

นักวิจัยชื่อ Niels Bohr พยายามปรับปรุงแบบจำลองของ Rutherford หลังจากศึกษาในห้องทดลองของ Rutherford เป็นเวลาหลายเดือนในปี 1912 บอร์พยายามจะกระทบยอดผลลัพธ์ของนักฟิสิกส์คนอื่นๆ (โดยเฉพาะมักซ์ พลังค์ และอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์) บอร์แนะนำว่าอิเล็กตรอนแต่ละตัวมีพลังงานจำนวนหนึ่งและจำเพาะเจาะจง และวงโคจรของพวกมันก็ถูกกระจายไปในลักษณะที่พวกมันสามารถครอบครองสถานที่บางแห่งได้ นิวเคลียสเหมือนลูกบอล จับจ้องอยู่บนเส้นทางวงกลมรอบนิวเคลียส ไม่ใช่ดาวเทียมเคลื่อนที่อย่างอิสระอย่างที่คิดไว้ก่อนหน้านี้ (รูปด้านบน) ในการปฏิบัติตามกฎของแม่เหล็กไฟฟ้าและประจุเร่ง บอร์เรียกว่า "วงโคจร" ว่า เครื่องเขียนเพื่อหลีกเลี่ยงการตีความว่าเป็นมือถือ

แม้ว่าความทะเยอทะยานของบอร์ในการคิดทบทวนโครงสร้างของอะตอมซึ่งสอดคล้องกับข้อมูลการทดลองมากขึ้นนั้นเป็นก้าวสำคัญในฟิสิกส์ แต่ก็ยังไม่เสร็จสมบูรณ์ การวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์ของเขาทำนายผลการทดลองได้ดีกว่าแบบจำลองก่อนหน้า แต่ก็ยังมีคำถามที่ยังไม่ได้คำตอบว่า ทำไมอิเล็กตรอนจะต้องมีพฤติกรรมแปลก ๆ คำกล่าวที่ว่าอิเล็กตรอนมีอยู่ในสถานะควอนตัมที่อยู่นิ่งรอบๆ นิวเคลียสมีความสัมพันธ์กับข้อมูลการทดลองมากกว่าแบบจำลองของรัทเธอร์ฟอร์ด แต่ไม่ได้บอกว่าอะไรเป็นสาเหตุให้อิเล็กตรอนเข้าสู่สถานะพิเศษเหล่านี้ คำตอบสำหรับคำถามนี้คือมาจากนักฟิสิกส์อีกคนหนึ่งชื่อ Louis de Broglie ประมาณสิบปีต่อมา

De Broglie เสนอว่าอิเล็กตรอน เช่น โฟตอน (อนุภาคของแสง) มีทั้งคุณสมบัติของอนุภาคและคุณสมบัติของคลื่น จากสมมติฐานนี้ เขาแนะนำว่าการวิเคราะห์อิเล็กตรอนหมุนในแง่ของคลื่นดีกว่าในแง่ของอนุภาค และสามารถให้ข้อมูลเชิงลึกมากขึ้นเกี่ยวกับธรรมชาติควอนตัมของพวกมัน อันที่จริง ความก้าวหน้าอีกประการหนึ่งเกิดขึ้นด้วยความเข้าใจ

สตริงที่สั่นด้วยความถี่เรโซแนนซ์ระหว่างจุดคงที่สองจุดทำให้เกิดคลื่นนิ่ง

อะตอมตามที่เดอบรอกลีกล่าวประกอบด้วยคลื่นนิ่งซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่รู้จักกันดีสำหรับนักฟิสิกส์ในรูปแบบต่างๆ เช่นเดียวกับสายเครื่องดนตรีที่ดึงออกมา (ในภาพด้านบน) ที่สั่นด้วยความถี่เรโซแนนซ์ โดยมี "นอต" และ "นอตต้าน" ในตำแหน่งที่มั่นคงตลอดความยาว De Broglie จินตนาการถึงอิเล็กตรอนรอบ ๆ อะตอมในขณะที่คลื่นโค้งเป็นวงกลม (รูปด้านล่าง)

อิเล็กตรอน "หมุน" เหมือนคลื่นนิ่งรอบนิวเคลียส (a) สองรอบในวงโคจร (b) สามรอบในวงโคจร

อิเล็กตรอนสามารถมีได้เฉพาะใน "วงโคจร" ที่เจาะจงรอบนิวเคลียสเท่านั้น เนื่องจากเป็นระยะห่างเพียงจุดเดียวที่ปลายคลื่นตรงกัน ที่รัศมีอื่นใด คลื่นจะชนกันอย่างทำลายล้างด้วยตัวมันเอง และด้วยเหตุนี้จึงไม่มีอยู่จริง

สมมติฐานของ De Broglie ให้ทั้งกรอบทางคณิตศาสตร์และการเปรียบเทียบทางกายภาพที่สะดวกเพื่ออธิบายสถานะควอนตัมของอิเล็กตรอนภายในอะตอม แต่แบบจำลองอะตอมของเขายังไม่สมบูรณ์ เป็นเวลาหลายปีที่นักฟิสิกส์ Werner Heisenberg และ Erwin Schrödinger ทำงานโดยอิสระ ได้ทำงานเกี่ยวกับแนวคิดเรื่องความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นของ de Broglie เพื่อสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่เข้มงวดมากขึ้นของอนุภาคย่อยของอะตอม

ความก้าวหน้าทางทฤษฎีนี้จากแบบจำลองคลื่นนิ่งดั้งเดิมของเดอ บรอกลี ไปจนถึงแบบจำลองของเมทริกซ์ไฮเซนเบิร์กและสมการเชิงอนุพันธ์ชโรดิงเงอร์ ได้รับการตั้งชื่อตามกลศาสตร์ควอนตัม และได้นำเสนอคุณลักษณะที่ค่อนข้างน่าตกใจในโลกของอนุภาคย่อยของอะตอม นั่นคือ สัญญาณของความน่าจะเป็น หรือความไม่แน่นอน ตามทฤษฎีควอนตัมใหม่ เป็นไปไม่ได้ที่จะกำหนดตำแหน่งที่แน่นอนและโมเมนตัมที่แน่นอนของอนุภาคในช่วงเวลาหนึ่ง คำอธิบายที่นิยมสำหรับ "หลักการความไม่แน่นอน" นี้คือมีข้อผิดพลาดในการวัด (นั่นคือการพยายามวัดตำแหน่งของอิเล็กตรอนอย่างแม่นยำ คุณจะเข้าไปยุ่งเกี่ยวกับโมเมนตัมของอิเล็กตรอน ดังนั้นจึงไม่รู้ว่ามันคืออะไรก่อนที่คุณจะเริ่มวัดตำแหน่ง , และในทางกลับกัน). ข้อสรุปที่น่าตื่นตาของกลศาสตร์ควอนตัมคืออนุภาคไม่มีตำแหน่งและโมเมนต์ที่แน่นอน และเนื่องจากความสัมพันธ์ของปริมาณทั้งสองนี้ ความไม่แน่นอนที่รวมกันแล้วจะไม่ลดลงต่ำกว่าค่าต่ำสุดที่แน่นอน

รูปแบบของการเชื่อมต่อ "ความไม่แน่นอน" นี้ยังมีอยู่ในสาขาอื่นที่ไม่ใช่กลศาสตร์ควอนตัม ตามที่กล่าวไว้ในบท "สัญญาณ AC ความถี่ผสม" ในเล่มที่ 2 ของชุดหนังสือนี้ มีความสัมพันธ์ที่แยกจากกันระหว่างความเชื่อมั่นในข้อมูลโดเมนเวลาของรูปคลื่นและข้อมูลโดเมนความถี่ พูดง่ายๆ คือ ยิ่งเรารู้ความถี่ของส่วนประกอบมากเท่าไร เราก็ยิ่งรู้แอมพลิจูดเมื่อเวลาผ่านไปได้แม่นยำน้อยลงเท่านั้น และในทางกลับกัน อ้างตัวเอง:

สัญญาณของระยะเวลาอนันต์ (จำนวนรอบที่ไม่มีที่สิ้นสุด) สามารถวิเคราะห์ได้อย่างแม่นยำ แต่ยิ่งมีวงจรคอมพิวเตอร์สำหรับการวิเคราะห์น้อยลงการวิเคราะห์ที่แม่นยำน้อยลง ... ยิ่งช่วงของสัญญาณน้อยลงความถี่ของสัญญาณก็จะยิ่งแม่นยำน้อยลง . การนำแนวคิดนี้ไปสู่ตรรกะสุดโต่ง ชีพจรสั้น (ไม่ใช่สัญญาณเต็มช่วง) ไม่มีความถี่ที่กำหนดไว้จริงๆ เป็นช่วงความถี่ที่ไม่สิ้นสุด หลักการนี้เป็นเรื่องปกติของปรากฏการณ์คลื่นทั้งหมด และไม่เพียงแต่กับแรงดันและกระแสที่แปรผันเท่านั้น

เพื่อกำหนดแอมพลิจูดของสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงได้อย่างแม่นยำ เราต้องวัดมันในระยะเวลาอันสั้น อย่างไรก็ตาม การทำเช่นนี้จำกัดความรู้ของเราเกี่ยวกับความถี่ของคลื่น (คลื่นในกลศาสตร์ควอนตัมไม่จำเป็นต้องคล้ายกับคลื่นไซน์ ความคล้ายคลึงกันนั้นเป็นกรณีพิเศษ) ในทางกลับกัน เพื่อที่จะกำหนดความถี่ของคลื่นได้อย่างแม่นยำมาก เราต้องวัดมันในช่วงเวลาจำนวนมาก ซึ่งหมายความว่าเราจะมองไม่เห็นแอมพลิจูดของคลื่นในช่วงเวลาใดก็ตาม ดังนั้นเราจึงไม่สามารถทราบแอมพลิจูดในทันทีและความถี่ทั้งหมดของคลื่นใด ๆ ที่มีความแม่นยำไม่จำกัดได้พร้อมกัน ความแปลกประหลาดอีกอย่างหนึ่งคือความไม่แน่นอนนี้ยิ่งใหญ่กว่าความไม่ถูกต้องของผู้สังเกต มันอยู่ในธรรมชาติของคลื่น กรณีนี้ไม่เป็นเช่นนั้น แม้ว่าจะเป็นไปได้ ด้วยเทคโนโลยีที่เหมาะสม เพื่อให้การวัดที่แม่นยำของทั้งแอมพลิจูดและความถี่ในทันทีพร้อมกัน ตามความหมายที่แท้จริง คลื่นไม่สามารถมีแอมพลิจูดในทันทีที่แน่นอนและความถี่ที่แน่นอนได้ในเวลาเดียวกัน

ความไม่แน่นอนขั้นต่ำของตำแหน่งอนุภาคและโมเมนตัมที่แสดงโดยไฮเซนเบิร์กและชโรดิงเงอร์ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับข้อจำกัดในการวัด ค่อนข้าง เป็นคุณสมบัติที่แท้จริงของธรรมชาติของความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่นของอนุภาค ดังนั้น อิเล็กตรอนจึงไม่มีอยู่จริงใน "วงโคจร" ของพวกมันในฐานะอนุภาคของสสารที่กำหนดไว้อย่างดี หรือแม้แต่รูปคลื่นที่กำหนดไว้อย่างดี แต่เป็น "เมฆ" ซึ่งเป็นศัพท์เทคนิค ฟังก์ชันคลื่นการแจกแจงความน่าจะเป็น ราวกับว่าอิเล็กตรอนแต่ละตัว "กระจัดกระจาย" หรือ "ละเลง" ในช่วงของตำแหน่งและโมเมนตัม

มุมมองที่รุนแรงของอิเล็กตรอนในฐานะเมฆที่ไม่แน่นอนในขั้นต้นนี้ขัดแย้งกับหลักการดั้งเดิมของสถานะควอนตัมของอิเล็กตรอน: อิเล็กตรอนมีอยู่ใน "วงโคจร" ที่ไม่ต่อเนื่องและแน่นอนรอบนิวเคลียสของอะตอม มุมมองใหม่นี้เป็นการค้นพบที่นำไปสู่การก่อตัวและคำอธิบายของทฤษฎีควอนตัม ดูเหมือนว่าทฤษฎีหนึ่งที่สร้างขึ้นเพื่ออธิบายพฤติกรรมที่ไม่ต่อเนื่องของอิเล็กตรอนนั้นดูแปลกมากเพียงใด จบลงด้วยการประกาศว่าอิเล็กตรอนมีอยู่ในรูปของ "เมฆ" และไม่ใช่เป็นชิ้นส่วนแยกจากกัน อย่างไรก็ตาม พฤติกรรมควอนตัมของอิเล็กตรอนไม่ได้ขึ้นอยู่กับอิเล็กตรอนที่มีค่าพิกัดและโมเมนตัมบางอย่าง แต่อาศัยคุณสมบัติอื่นที่เรียกว่า ตัวเลขควอนตัม. โดยพื้นฐานแล้ว กลศาสตร์ควอนตัมจะแจกจ่ายแนวคิดทั่วไปของตำแหน่งสัมบูรณ์และโมเมนต์สัมบูรณ์ และแทนที่ด้วยแนวคิดแบบสัมบูรณ์ของประเภทที่ไม่มีความคล้ายคลึงกันในทางปฏิบัติ

แม้ว่าทราบกันว่าอิเล็กตรอนมีอยู่ในรูปแบบ "เมฆมาก" ของการกระจายความน่าจะเป็น แทนที่จะแยกชิ้นส่วนของสสาร "เมฆ" เหล่านี้มีลักษณะที่แตกต่างกันเล็กน้อย อิเล็กตรอนใด ๆ ในอะตอมสามารถอธิบายได้ด้วยการวัดตัวเลขสี่แบบ (ตัวเลขควอนตัมที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้) เรียกว่า หลัก (รัศมี), ออร์บิทัล (azimuth), แม่เหล็กและ ปั่นตัวเลข ด้านล่างนี้คือภาพรวมโดยย่อของความหมายของตัวเลขแต่ละตัวเหล่านี้:

หลัก (เรเดียล) เลขควอนตัม: เขียนแทนด้วยตัวอักษร นตัวเลขนี้อธิบายเปลือกที่อิเล็กตรอนอาศัยอยู่ "เปลือก" ของอิเล็กตรอนเป็นพื้นที่ว่างรอบนิวเคลียสของอะตอมซึ่งอิเล็กตรอนสามารถดำรงอยู่ได้ ซึ่งสอดคล้องกับแบบจำลอง "คลื่นนิ่ง" ที่เสถียรของเดอ บรอกลีและบอร์ อิเล็กตรอนสามารถ "กระโดด" จากเปลือกหนึ่งไปยังอีกเปลือกหนึ่งได้ แต่ไม่สามารถอยู่ระหว่างพวกมันได้

เลขควอนตัมหลักต้องเป็นจำนวนเต็มบวก (มากกว่าหรือเท่ากับ 1) กล่าวอีกนัยหนึ่ง หมายเลขควอนตัมหลักของอิเล็กตรอนไม่สามารถเป็น 1/2 หรือ -3 ได้ จำนวนเต็มเหล่านี้ไม่ได้ถูกเลือกโดยพลการ แต่จากหลักฐานการทดลองของสเปกตรัมแสง: ความถี่ (สี) ที่แตกต่างกันของแสงที่ปล่อยออกมาจากอะตอมของไฮโดรเจนที่ถูกกระตุ้นจะเป็นไปตามความสัมพันธ์ทางคณิตศาสตร์โดยขึ้นอยู่กับค่าจำนวนเต็มจำเพาะ ดังแสดงในรูปด้านล่าง

เปลือกแต่ละอันมีความสามารถในการเก็บอิเล็กตรอนได้หลายตัว การเปรียบเทียบสำหรับเปลือกอิเล็กตรอนคือแถวที่นั่งที่มีศูนย์กลางในอัฒจันทร์ เช่นเดียวกับคนที่นั่งในอัฒจันทร์ต้องเลือกแถวที่จะนั่ง (เขาไม่สามารถนั่งระหว่างแถวได้) อิเล็กตรอนจะต้อง "เลือก" เปลือกเฉพาะเพื่อ "นั่งลง" เช่นเดียวกับแถวในอัฒจันทร์ เปลือกนอกมีอิเล็กตรอนมากกว่าเปลือกที่อยู่ใกล้กับศูนย์กลาง นอกจากนี้ อิเล็กตรอนมักจะหาเปลือกที่เล็กที่สุดที่มีอยู่ เช่นเดียวกับที่ผู้คนในอัฒจันทร์มองหาสถานที่ที่ใกล้กับเวทีกลางมากที่สุด ยิ่งจำนวนเปลือกสูงเท่าใด อิเล็กตรอนก็จะยิ่งมีพลังงานมากขึ้นเท่านั้น

จำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดที่เปลือกใดๆ สามารถเก็บได้นั้นอธิบายโดยสมการ 2n 2 โดยที่ n คือเลขควอนตัมหลัก ดังนั้นเปลือกแรก (n = 1) สามารถมี 2 อิเล็กตรอน; เปลือกที่สอง (n = 2) - 8 อิเล็กตรอน; และเปลือกที่สาม (n = 3) - 18 อิเล็กตรอน (รูปด้านล่าง)

หมายเลขควอนตัมหลัก n และจำนวนอิเล็กตรอนสูงสุดสัมพันธ์กันโดยสูตร 2(n 2) วงโคจรไม่ได้ปรับขนาด

เปลือกอิเล็กตรอนในอะตอมแสดงด้วยตัวอักษรแทนที่จะเป็นตัวเลข เปลือกแรก (n = 1) ถูกกำหนดให้เป็น K, เปลือกที่สอง (n = 2) L, เปลือกที่สาม (n = 3) M, เปลือกที่สี่ (n = 4) N, เปลือกที่ห้า (n = 5) O เปลือกที่หก ( n = 6) P และเปลือกที่เจ็ด (n = 7) B.

Orbital (azimuth) หมายเลขควอนตัม: เชลล์ประกอบด้วยเชลล์ย่อย บางคนอาจสะดวกกว่าที่จะคิดว่าเปลือกย่อยเป็นส่วนที่เรียบง่ายของเปลือกหอย เช่น เลนที่แบ่งถนน Subshells นั้นแปลกกว่ามาก เชลล์ย่อยเป็นพื้นที่ของอวกาศที่อิเล็กตรอน "เมฆ" สามารถมีอยู่ได้ และอันที่จริง subshell ต่างกันมีรูปร่างต่างกัน เปลือกย่อยแรกอยู่ในรูปร่างของทรงกลม (Figurebelow (s)) ซึ่งสมเหตุสมผลเมื่อถูกมองว่าเป็นเมฆอิเล็กตรอนที่ล้อมรอบนิวเคลียสของอะตอมในสามมิติ

เปลือกย่อยที่สองคล้ายกับดัมเบลล์ซึ่งประกอบด้วย "กลีบดอก" สองกลีบเชื่อมต่อกันที่จุดหนึ่งใกล้กับศูนย์กลางของอะตอม (รูปด้านล่าง (p))

เปลือกย่อยที่สามมักจะคล้ายกับชุดของ "กลีบดอก" สี่กลีบที่ล้อมรอบนิวเคลียสของอะตอม รูปร่างย่อยเหล่านี้คล้ายกับการแสดงกราฟิกของรูปแบบเสาอากาศที่มีกลีบคล้ายหัวหอมยื่นออกมาจากเสาอากาศในทิศทางต่างๆ (Figurebelow (d))

ออร์บิทัล:
(s) สมมาตรสามเท่า;
(p) แสดง: p x , หนึ่งในสามทิศทางที่เป็นไปได้ (p x , p y , p z) ตามแกนที่เกี่ยวข้อง;
(d) แสดง: d x 2 -y 2 คล้ายกับ d xy , d yz , d xz . แสดง: d z 2 . จำนวน d-orbitals ที่เป็นไปได้: ห้า

ค่าที่ถูกต้องสำหรับเลขควอนตัมโคจรเป็นจำนวนเต็มบวก สำหรับเลขควอนตัมหลัก แต่ยังรวมศูนย์ด้วย ตัวเลขควอนตัมสำหรับอิเล็กตรอนเหล่านี้เขียนแทนด้วยตัวอักษร l จำนวนของเชลล์ย่อยเท่ากับจำนวนควอนตัมหลักของเชลล์ ดังนั้น เชลล์แรก (n = 1) มีหนึ่งเชลล์ย่อยที่มีหมายเลข 0; เชลล์ที่สอง (n = 2) มีสอง subshells ที่มีหมายเลข 0 และ 1; เชลล์ที่สาม (n = 3) มีสามเชลล์ย่อยที่มีหมายเลข 0, 1 และ 2

อนุสัญญา subshell แบบเก่าใช้ตัวอักษรมากกว่าตัวเลข ในรูปแบบนี้ subshell แรก (l = 0) ถูกกำหนดเป็น s, subshell ที่สอง (l = 1) แทน p, subshell ที่สาม (l = 2) ถูกระบุ d และ subshell ที่สี่ (l = 3) คือ หมายถึงฉ. จดหมายมาจากคำว่า: คม, อาจารย์ใหญ่, กระจายและ พื้นฐาน. คุณยังสามารถเห็นการกำหนดเหล่านี้ในตารางธาตุหลายตารางที่ใช้เพื่อระบุการกำหนดค่าอิเล็กตรอนของชั้นนอก ( ความจุ) เปลือกของอะตอม

(ก) ตัวแทนโบร์ของอะตอมเงิน
(b) การแสดงออร์บิทัลของ Ag พร้อมการแบ่งเชลล์ออกเป็นเชลล์ย่อย (หมายเลขควอนตัมออร์บิทัล l)
แผนภาพนี้ไม่ได้บอกเป็นนัยถึงตำแหน่งที่แท้จริงของอิเล็กตรอน แต่แสดงถึงระดับพลังงานเท่านั้น

เลขควอนตัมแม่เหล็ก: หมายเลขควอนตัมแม่เหล็กสำหรับอิเล็กตรอนจำแนกการวางแนวของรูปเปลือกย่อยอิเล็กตรอน "กลีบ" ของเปลือกย่อยสามารถชี้ได้หลายทิศทาง ทิศทางที่แตกต่างกันเหล่านี้เรียกว่าออร์บิทัล สำหรับ subshell แรก (s; l = 0) ซึ่งคล้ายกับทรงกลม ไม่ได้ระบุ "direction" เป็นเวลาหนึ่งวินาที (p; l = 1) เชลล์ย่อยในแต่ละเชลล์ที่คล้ายกับดัมเบลล์ที่ชี้ไปในสามทิศทางที่เป็นไปได้ ลองนึกภาพดัมเบลล์สามตัวตัดกันที่จุดกำเนิด โดยแต่ละตัวชี้ไปตามแกนของตัวเองในระบบพิกัดสามแกน

ค่าที่ถูกต้องสำหรับจำนวนควอนตัมที่กำหนดประกอบด้วยจำนวนเต็มตั้งแต่ -l ถึง l และตัวเลขนี้แสดงเป็น m lในฟิสิกส์ปรมาณูและ zในฟิสิกส์นิวเคลียร์ ในการคำนวณจำนวนออร์บิทัลในซับเชลล์ใดๆ คุณต้องเพิ่มจำนวนซับเชลล์เป็นสองเท่าแล้วบวก 1 (2∙l + 1) ตัวอย่างเช่น ซับเชลล์แรก (l = 0) ในเชลล์ใดๆ มีหนึ่งออร์บิทัลที่มีหมายเลข 0; เชลล์ย่อยที่สอง (l = 1) ในเชลล์ใด ๆ มีออร์บิทัลสามออร์บิทัลที่มีตัวเลข -1, 0 และ 1; เปลือกย่อยที่สาม (l = 2) มีห้าออร์บิทัลที่มีหมายเลข -2, -1, 0, 1 และ 2; และอื่นๆ

เช่นเดียวกับเลขควอนตัมหลัก หมายเลขควอนตัมแม่เหล็กเกิดขึ้นโดยตรงจากข้อมูลการทดลอง: ผลกระทบของซีมัน การแยกเส้นสเปกตรัมโดยการเปิดเผยก๊าซไอออไนซ์ไปยังสนามแม่เหล็ก ดังนั้นชื่อเลขควอนตัม "แม่เหล็ก"

หมุนหมายเลขควอนตัม: เช่นเดียวกับเลขควอนตัมแม่เหล็ก คุณสมบัติของอิเล็กตรอนของอะตอมนี้ถูกค้นพบโดยการทดลอง การสังเกตเส้นสเปกตรัมอย่างระมัดระวังพบว่าแต่ละเส้นเป็นเส้นคู่ที่เว้นระยะห่างกันมาก มีคนแนะนำว่าเส้นนี้เรียกว่า โครงสร้างที่ดีเป็นผลมาจากอิเล็กตรอนแต่ละตัว "หมุน" รอบแกนของตัวเองเหมือนดาวเคราะห์ อิเล็กตรอนที่มี "สปิน" ต่างกันจะให้ความถี่แสงต่างกันเล็กน้อยเมื่อตื่นเต้น แนวคิดของอิเล็กตรอนแบบหมุนได้ล้าสมัยไปแล้ว โดยมีความเหมาะสมมากกว่าสำหรับมุมมอง (ที่ไม่ถูกต้อง) ของอิเล็กตรอนในฐานะอนุภาคของสสารมากกว่าที่จะเป็น "เมฆ" แต่ชื่อยังคงอยู่

หมายเลขควอนตัมสปินแสดงเป็น นางสาวในฟิสิกส์ปรมาณูและ szในฟิสิกส์นิวเคลียร์ แต่ละออร์บิทัลในแต่ละ subshell สามารถมีอิเล็กตรอนสองตัวในแต่ละเปลือก ตัวหนึ่งมีสปิน +1/2 และอีกอันมีสปิน -1/2

นักฟิสิกส์ Wolfgang Pauli ได้พัฒนาหลักการที่อธิบายการเรียงลำดับของอิเล็กตรอนในอะตอมตามเลขควอนตัมเหล่านี้ หลักการของพระองค์เรียกว่า หลักการยกเว้นเพาลีระบุว่าอิเล็กตรอนสองตัวในอะตอมเดียวกันไม่สามารถครอบครองสถานะควอนตัมเดียวกันได้ นั่นคืออิเล็กตรอนแต่ละตัวในอะตอมมีชุดเลขควอนตัมที่ไม่ซ้ำกัน ซึ่งจะจำกัดจำนวนอิเล็กตรอนที่สามารถครอบครองออร์บิทัล ซับเชลล์ และเปลือกที่กำหนดได้

นี่แสดงให้เห็นการจัดเรียงของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจน:

ด้วยโปรตอนหนึ่งตัวในนิวเคลียส อะตอมจะรับอิเล็กตรอนหนึ่งตัวสำหรับความสมดุลของไฟฟ้าสถิต (ประจุบวกของโปรตอนจะสมดุลกับประจุลบของอิเล็กตรอนพอดี) อิเล็กตรอนนี้อยู่ในเปลือกล่าง (n = 1) ซึ่งเป็นเปลือกย่อยแรก (l = 0) ในวงโคจรเดียว (การวางแนวเชิงพื้นที่) ของเปลือกย่อยนี้ (m l = 0) โดยมีค่าการหมุนเท่ากับ 1/2 วิธีการทั่วไปในการอธิบายโครงสร้างนี้คือการแจกแจงอิเล็กตรอนตามเปลือกและเปลือกย่อยตามแบบแผนที่เรียกว่า สัญกรณ์สเปกโตรสโกปี. ในสัญกรณ์นี้ หมายเลขเชลล์จะแสดงเป็นจำนวนเต็ม เชลล์ย่อยเป็นตัวอักษร (s,p,d,f) และจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดในเชลล์ย่อย (ออร์บิทัลทั้งหมด สปินทั้งหมด) เป็นตัวยก ดังนั้นไฮโดรเจนที่มีอิเลคตรอนเดี่ยวอยู่ที่ระดับฐานจึงถูกอธิบายว่าเป็น 1s 1 .

ย้ายไปยังอะตอมถัดไป (ตามลำดับเลขอะตอม) เราได้ธาตุฮีเลียม:

อะตอมของฮีเลียมมีโปรตอนสองตัวในนิวเคลียส ซึ่งต้องใช้อิเล็กตรอนสองตัวเพื่อปรับสมดุลประจุไฟฟ้าบวกสองเท่า เนื่องจากอิเล็กตรอนสองตัว - ตัวหนึ่งมีสปิน 1/2 และอีกตัวที่มีสปิน -1/2 - อยู่ในวงโคจรเดียวกัน โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของฮีเลียมจึงไม่ต้องการซับเชลล์หรือเปลือกเพิ่มเติมเพื่อกักเก็บอิเล็กตรอนตัวที่สอง

อย่างไรก็ตาม อะตอมที่ต้องการอิเล็กตรอนตั้งแต่ 3 ตัวขึ้นไปจะต้องการซับเชลล์เพิ่มเติมเพื่อกักเก็บอิเล็กตรอนทั้งหมด เนื่องจากมีเพียง 2 อิเล็กตรอนเท่านั้นที่สามารถอยู่บนเปลือกด้านล่าง (n = 1) พิจารณาอะตอมถัดไปในลำดับการเพิ่มเลขอะตอม ลิเธียม:

อะตอมลิเธียมใช้ส่วนหนึ่งของความจุ L ของเปลือก (n = 2) เปลือกนี้มีความจุรวมแปดอิเล็กตรอน (ความจุเปลือกสูงสุด = 2n 2 อิเล็กตรอน) หากเราพิจารณาโครงสร้างของอะตอมที่มีเปลือก L เต็ม เราจะเห็นว่าการรวมของ subshells, orbitals และ spins ทั้งหมดถูกครอบครองโดยอิเล็กตรอน:

บ่อยครั้ง เมื่อกำหนดสัญกรณ์สเปกโตรสโกปีให้กับอะตอม เชลล์ที่เติมจนเต็มจะถูกข้ามไป และเชลล์ที่ยังไม่ได้บรรจุและเชลล์ที่เติมระดับบนสุดจะถูกแสดง ตัวอย่างเช่น องค์ประกอบนีออน (แสดงในรูปด้านบน) ซึ่งมีเปลือกสองอันที่เต็มไปหมด สามารถอธิบายสเปกตรัมได้ง่ายๆ ว่า 2p 6 แทนที่จะเป็น 1s 22 s 22 p 6 . ลิเธียมซึ่งมีเปลือก K เต็มและมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวในเปลือก L สามารถอธิบายได้ง่ายๆ ว่าเป็น 2s 1 แทนที่จะเป็น 1s 22 s 1

การละเว้นของเชลล์ระดับล่างที่มีประชากรเต็มไม่เพียงเพื่อความสะดวกของสัญกรณ์เท่านั้น นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นหลักการพื้นฐานของเคมี: พฤติกรรมทางเคมีขององค์ประกอบถูกกำหนดโดยเปลือกที่ยังไม่ได้บรรจุเป็นหลัก ทั้งไฮโดรเจนและลิเธียมมีอิเล็กตรอน 1 ตัวที่เปลือกนอกของพวกมัน (ดังที่ 1 และ 2s 1 ตามลำดับ) นั่นคือองค์ประกอบทั้งสองมีคุณสมบัติคล้ายคลึงกัน ทั้งสองมีปฏิกิริยาตอบสนองสูงและตอบสนองในลักษณะที่เกือบจะเหมือนกัน (เชื่อมโยงกับองค์ประกอบที่คล้ายคลึงกันภายใต้สภาวะที่คล้ายคลึงกัน) ไม่สำคัญหรอกว่าลิเธียมจะมี K-shell ที่เติมจนเต็มภายใต้ L-shell ที่เกือบจะว่าง: L-shell ที่ยังไม่ได้บรรจุเป็นตัวกำหนดพฤติกรรมทางเคมีของมัน

องค์ประกอบที่เติมเปลือกนอกอย่างสมบูรณ์จัดประเภทเป็นขุนนางและมีลักษณะเฉพาะโดยขาดปฏิกิริยากับองค์ประกอบอื่นเกือบสมบูรณ์ ธาตุเหล่านี้จัดอยู่ในประเภทเฉื่อยเมื่อถูกพิจารณาว่าไม่ทำปฏิกิริยาเลย แต่เป็นที่ทราบกันดีว่าพวกมันก่อตัวเป็นสารประกอบกับธาตุอื่นๆ ภายใต้เงื่อนไขบางประการ

เนื่องจากองค์ประกอบที่มีการกำหนดค่าอิเล็กตรอนเหมือนกันในเปลือกนอกมีคุณสมบัติทางเคมีที่คล้ายคลึงกัน Dmitri Mendeleev จึงจัดองค์ประกอบทางเคมีในตารางตามลำดับ ตารางนี้เรียกว่า และตารางสมัยใหม่เป็นไปตามรูปแบบทั่วไปนี้ ดังแสดงในรูปด้านล่าง

ตารางธาตุขององค์ประกอบทางเคมี

Dmitri Mendeleev นักเคมีชาวรัสเซียเป็นคนแรกที่พัฒนาตารางธาตุ แม้ว่า Mendeleev จะจัดตารางของเขาตามมวลอะตอม ไม่ใช่เลขอะตอม และสร้างตารางที่ไม่มีประโยชน์เท่ากับตารางธาตุสมัยใหม่ การพัฒนาของเขาถือเป็นตัวอย่างที่ยอดเยี่ยมในการพิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์ เมื่อเห็นรูปแบบของคาบ (คุณสมบัติทางเคมีที่คล้ายคลึงกันตามมวลอะตอม) Mendeleev ตั้งสมมติฐานว่าองค์ประกอบทั้งหมดจะต้องพอดีกับรูปแบบที่เรียงลำดับนี้ เมื่อเขาค้นพบที่ "ว่าง" ในตาราง เขาได้ปฏิบัติตามตรรกะของคำสั่งที่มีอยู่และสันนิษฐานว่ามีองค์ประกอบที่ยังไม่เป็นที่รู้จัก การค้นพบองค์ประกอบเหล่านี้ในเวลาต่อมายืนยันความถูกต้องทางวิทยาศาสตร์ของสมมติฐานของ Mendeleev การค้นพบเพิ่มเติมนำไปสู่รูปแบบของตารางธาตุที่เราใช้อยู่ในขณะนี้

แบบนี้ ต้องวิทยาศาสตร์การทำงาน: สมมติฐานนำไปสู่ข้อสรุปเชิงตรรกะและเป็นที่ยอมรับ เปลี่ยนแปลง หรือปฏิเสธ ขึ้นอยู่กับความสอดคล้องของข้อมูลการทดลองกับข้อสรุป คนโง่ทุกคนสามารถกำหนดสมมติฐานหลังจากข้อเท็จจริงเพื่ออธิบายข้อมูลการทดลองที่มีอยู่ และหลายคนก็ทำได้เช่นกัน สิ่งที่ทำให้สมมติฐานทางวิทยาศาสตร์แตกต่างไปจากการเก็งกำไรภายหลังเป็นการคาดคะเนข้อมูลการทดลองในอนาคตที่ยังไม่ได้รวบรวม และอาจเป็นผลให้เกิดการหักล้างข้อมูลนั้น นำสมมติฐานอย่างกล้าหาญไปสู่ข้อสรุปเชิงตรรกะ และความพยายามที่จะทำนายผลของการทดลองในอนาคตไม่ใช่การก้าวกระโดดแห่งศรัทธา แต่เป็นการทดสอบสาธารณะเกี่ยวกับสมมติฐานนี้ ซึ่งเป็นการท้าทายอย่างเปิดเผยต่อฝ่ายตรงข้ามของสมมติฐาน กล่าวอีกนัยหนึ่ง สมมติฐานทางวิทยาศาสตร์มัก "เสี่ยง" เนื่องจากพยายามคาดการณ์ผลลัพธ์ของการทดลองที่ยังไม่ได้ทำ ดังนั้นจึงสามารถปลอมแปลงได้หากการทดลองไม่เป็นไปตามที่คาดไว้ ดังนั้น หากสมมติฐานทำนายผลลัพธ์ของการทดลองซ้ำๆ ได้ถูกต้อง สมมติฐานนั้นจะไม่ได้รับการพิสูจน์

กลศาสตร์ควอนตัม อย่างแรกเป็นสมมติฐานและต่อมาในเชิงทฤษฎี ประสบความสำเร็จอย่างมากในการทำนายผลการทดลอง และด้วยเหตุนี้จึงได้รับความน่าเชื่อถือทางวิทยาศาสตร์ในระดับสูง นักวิทยาศาสตร์หลายคนมีเหตุผลที่จะเชื่อได้ว่านี่เป็นทฤษฎีที่ไม่สมบูรณ์ เนื่องจากการคาดคะเนของทฤษฎีนี้เป็นจริงมากกว่าในระดับจุลภาคมากกว่าแบบที่มองด้วยตาเปล่า แต่ถึงกระนั้น มันเป็นทฤษฎีที่มีประโยชน์อย่างยิ่งในการอธิบายและทำนายปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคและอะตอม

ดังที่คุณได้เห็นในบทนี้ ฟิสิกส์ควอนตัมมีความสำคัญในการอธิบายและทำนายปรากฏการณ์ต่างๆ มากมาย ในหัวข้อถัดไป เราจะเห็นความสำคัญในเรื่องค่าการนำไฟฟ้าของของแข็ง รวมถึงสารกึ่งตัวนำด้วย พูดง่ายๆ ว่าไม่มีสิ่งใดในวิชาเคมีหรือฟิสิกส์สถานะของแข็งที่เข้าท่าในโครงสร้างทางทฤษฎีที่เป็นที่นิยมของอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในฐานะอนุภาคแต่ละส่วนของสสารที่โคจรรอบนิวเคลียสของอะตอมเช่นดาวเทียมขนาดเล็ก เมื่ออิเล็กตรอนถูกมองว่าเป็น "หน้าที่ของคลื่น" ที่มีอยู่ในสถานะที่ไม่ต่อเนื่องบางสถานะที่สม่ำเสมอและเป็นช่วงๆ จึงสามารถอธิบายพฤติกรรมของสสารได้

สรุป

อิเล็กตรอนในอะตอมมีอยู่ใน "ก้อนเมฆ" ของความน่าจะเป็นแบบกระจาย และไม่ใช่เป็นอนุภาคแยกของสสารที่หมุนรอบนิวเคลียส เช่น ดาวเทียมขนาดเล็ก ตามตัวอย่างทั่วไปที่แสดง

อิเล็กตรอนแต่ละตัวรอบนิวเคลียสของอะตอมมีแนวโน้มที่จะมี "สถานะ" ที่ไม่ซ้ำกันซึ่งอธิบายโดยตัวเลขควอนตัมสี่ตัว: หลัก (เรเดียล) เลขควอนตัมเรียกว่า เปลือก; วงโคจร (azimuth) ควอนตัมจำนวนเรียกว่า เปลือกย่อย; เลขควอนตัมแม่เหล็กอธิบาย orbital(การวางแนวย่อย); และ หมุนเลขควอนตัมหรือเพียงแค่ ปั่น. สถานะเหล่านี้เป็นควอนตัม นั่นคือ "ระหว่างพวกเขา" ไม่มีเงื่อนไขสำหรับการดำรงอยู่ของอิเล็กตรอน ยกเว้นสถานะที่เข้ากับรูปแบบการนับควอนตัม

Glanoe (เรเดียล) หมายเลขควอนตัม (n)อธิบายระดับฐานหรือเปลือกที่อิเล็กตรอนอยู่ ยิ่งจำนวนนี้มากเท่าใด รัศมีของเมฆอิเล็กตรอนจากนิวเคลียสของอะตอมก็จะยิ่งมีรัศมีมากขึ้นเท่านั้น และพลังงานของอิเล็กตรอนก็จะยิ่งมากขึ้น ตัวเลขควอนตัมหลักเป็นจำนวนเต็ม (จำนวนเต็มบวก)

ออร์บิทัล (แอซิมุทัล) หมายเลขควอนตัม (ล.)อธิบายรูปร่างของเมฆอิเล็กตรอนในชั้นหรือชั้นใดชั้นหนึ่ง และมักเรียกกันว่า "เปลือกย่อย" ในเปลือกใด ๆ มีเปลือกย่อยจำนวนมาก (รูปแบบของเมฆอิเล็กตรอน) เป็นเลขควอนตัมหลักของเปลือก ตัวเลขควอนตัม Azimuthal เป็นจำนวนเต็มบวกโดยเริ่มจากศูนย์และลงท้ายด้วยตัวเลขที่น้อยกว่าเลขควอนตัมหลักทีละหนึ่ง (n - 1)

หมายเลขควอนตัมแม่เหล็ก (มล.)อธิบายว่าเปลือกย่อย (รูปร่างของเมฆอิเล็กตรอน) มีการวางแนวใด ซับเชลล์สามารถมีทิศทางที่แตกต่างกันได้มากเป็นสองเท่าของจำนวนซับเชลล์ (l) บวก 1 (2l+1) (นั่นคือ สำหรับ l=1, m l = -1, 0, 1) และแต่ละการวางแนวที่ไม่ซ้ำกันจะเรียกว่าออร์บิทัล . ตัวเลขเหล่านี้เป็นจำนวนเต็มที่เริ่มต้นจากค่าลบของหมายเลขเชลล์ย่อย (l) ถึง 0 และลงท้ายด้วยค่าบวกของหมายเลขเชลล์ย่อย

สปินควอนตัมจำนวน (m s)อธิบายคุณสมบัติอื่นของอิเล็กตรอนและสามารถรับค่าได้ +1/2 และ -1/2

หลักการยกเว้นเพาลีกล่าวว่าอิเล็กตรอนสองตัวในอะตอมไม่สามารถแบ่งเลขควอนตัมชุดเดียวกันได้ ดังนั้น ในออร์บิทัลแต่ละออร์บิทัลจะมีอิเล็กตรอนได้มากที่สุด 2 ตัว (สปิน=1/2 และสปิน=-1/2) ออร์บิทัล 2l+1 ออร์บิทัลในแต่ละเชลล์ย่อย และ n ซับเชลล์ในแต่ละเชลล์ และไม่มีอีกแล้ว

สัญกรณ์สเปกโตรสโกปีเป็นข้อตกลงสำหรับโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอม เปลือกจะแสดงเป็นจำนวนเต็ม ตามด้วยตัวอักษรย่อย (s, p, d, f) โดยมีตัวเลขตัวยกซึ่งระบุจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดที่พบในแต่ละ subshell ตามลำดับ

พฤติกรรมทางเคมีของอะตอมถูกกำหนดโดยอิเล็กตรอนในเปลือกที่ไม่ได้รับการบรรจุเท่านั้น เปลือกระดับต่ำที่เติมจนเต็มจะมีผลเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยต่อลักษณะการจับตัวทางเคมีขององค์ประกอบ

องค์ประกอบที่มีเปลือกอิเล็กตรอนที่เติมจนเต็มเกือบจะเฉื่อยจนหมด และเรียกว่า มีคุณธรรมสูงองค์ประกอบ (ก่อนหน้านี้เรียกว่าเฉื่อย)